CC BY
36
И УДК 621.311.22: 66.088
■ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ Ш И ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЛАЗМЫ ¡I В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ
А. Жедоуова, Г Мурсалова, В.В. Васильев
'Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
■§||§ Mañanada жылуэнергешшада плазманы цолданудъщ технологиясы
111! мен перспективтi edicmepi талданады.
Hi В статье проанализированы наиболее перспективные методы и
ill технологии использования плазмы в теплоэнергетике.
||рЦ The article suggests the analysis of the most prospective methods and
III technologies of the plasma use in the heat-and-power engineering.
В структуре энергоресурсов преобладают органические (ископаемые) топлива: в сумме около 80% (нефть 35% и природный газ 21%). Соотношение между ними с течением времени менялось. 75 лет назад основным энергоресурсом был уголь (58.5%), доля нефти быстро росла до середины 70-х годов, доля газа растет до сих пор. Существенно уменьшилась доля "возобновляемых" топлив и отходов, которые остаются основным, если не единственным энергоресурсом во многих бедных странах. Их потребление растет по абсолютной величине, а структура и методы использования, особенно в развитых странах, изменяются (современная биомасса, сжигание твердых отходов).
Данные о мировом потреблении энергоресурсов, характеризующие динамику его изменения с 1930г,, и прогнозы Международного энергетического агентства (IEA российская аббревиатура МЭА) на 2010 и 2030 гг. приведены на графике 1. Значения в ней даны в миллионах тонн нефтяного эквивалента (10000 ккал/кг). Потери при международном морском транспорте энергоресурсов и торговле электроэнергией исключены, к прочим отнесены геотермальные, солнечные, ветровые и другие подобные энергоисточники.
Около 65% электроэнергии вырабатывается из органического топлива: угля (39%), газа (18%), продуктов нефтепереработки (меньше 8%).
ЕЭ нефть ® уголь
□ природный газ
□ атомная энергия Ш гидроресурсы
ЕЭ возобновляемые Ш прочие____
График 1. Мировое потребление энергоресурсов
Во второй половине прошедшего века существенно повысилась эффективность использования всех видов энергии, расширилась электрификация не только количественно, но и качественно с проникновением в новые сферы производства и услуг.
С развитием электроники началось использование энергии для облегчения и замены не только физического, но и умственного труда.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
еэ уголь ^ нефть о газ
График 2. Потребление энергоресурсов в Казахстане (1990,1995,2000,2010 гг.)
Только в странах СНГ (России, Украины, Казахстана и др.) на пылеугольных ТЭС ежегодно расходуется более 21 млн.тонн топочного мазута, мировая цена которого составляет 100-150 долларов за тонну. Плазменно-энергетические технологии без мазутного воспламенения и газификации углей позволяют сократить до минимума расход мазута на ТЭС и устранить указанные недостатки.
В теплоэнергетике можно выделить следующие перспективные методы и технологии, методы прямого преобразования тепла в электричество (магнитогидроди-намические генераторы, термоэмиссонные и термоэлектрические генераторы); технологии, применяющие низкотемпературную плазму для подготовки топлива, для его воспламенения при растопке и повышения эффективности с лапания низкосортных топлив в парогенераторах; технологии очистки дымовых газов от вредных выбросов в окружающую среду. Именно внедрение плазменных технологий может обеспечить эффективное сжигание таких низкосортных топлив, как каменные и бурые угли, антроцитовый штыб, водно-мазутные эмульсии, древесные отходы и горючий бытовой мусор и при этом гарантировать чистоту окружающей среды.
В настоящее время термоэмиссионные и термоэлектрические генераторы активно используются в специальной энергетике. Магнитогидродинамические генераторы (МГДГ), совмещающие в себе камеру сгорания и электрогенератор, наряду с газотурбинными установками могли бы применяться в качестве высокотемпературной надстройки на тепловых электростанциях, существенно повышая термодинамический КПД цикла. Однако, их широкое распространение сдерживается по ряду причин, в частности, из-за отсутствия: температурных материалов для каналов МГДГ, в которых рабочим телом является низкотемпературная плазма; высокотемпературных сверхпроводников дая получения сильных магнитных полей, обеспечивающих эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую; эффективных способов ввода и вывода легкоионизующей-ся присадки, обеспечивающей электропроводность продуктов сгорания.
Технологии использования низкотемпературной плазмы для интенсификации процессов горения в энергетических аппаратах (парогенераторах) можно разделить на три типа: подготовка углей для сжигания; безмазутная растопка паровых котлов и стабилизация процессов горения пылеугольной смеси и обеспечения эффективного удаления шлаков. Низкотемпературная плазма, предназначенная для использования при различных технологических процессах в теплоэнергет ике как уже реализуемых, так и возможных для реализации в будущем, создается в специальных генераторах плазмы (плазматронах) и электрических разрядах. В настоящее время освоено производство плазмотронов постоянного и переменного токов и СВЧ-плазмогронов единичной мощностью от 10... 100 кВт (существуют технические возможности для создания генераторов плазмы мощностью до 1МВт).
Особо следует выделить две проблемы, также касающиеся теплоэнергетики: интенсификация процессов тепломассообмена (включая процесс горения) с помощью электромагнитных полей; использование электроразрядных методов генерации акустических колебаний для очистки поверхностей нагрева и удаления огложений и шлаков.
Безмазутная растопка паровых котлов
Топливо эффективнее использовать либо путем предварительной газификации топлива в специальных плазмохимических реакторах и в плазменных горелках. Наличие электрических разрядов способствует интенсификации процессов тепломассообмена и увеличению эффективности сжигания топлива. Термохимическая обработка топлива с использованием плазменной технологии может производиться различными способами. При электрохимической обработке лишь в небольшой части аэровоздушной смеси образуются горючий газ и коксовый остаток, облегчающие воспламенение основной части топлива. В плазменно-аллоавтстермическом процессе, используя плазмотроны и активируя лишь 1... .5 %-ную часть угля, можно организовать ступенчатое воспламенение остальной аэросмеси. При плазмен-но-паровой аллоготермической газификации углей топливо превращается в высококалорийный синтез-газ, состоящий из СО и Н, и свободные от оксидов азота и ссры. С использованием плазмохимических реакторов осуществляется полная газификация угля, в результате которой выделяется синтез-газ и из минеральной массы, извлекаются ценные конденсированные продукты переработки угля.
В настоящее время разработанными являются плазменные технологии, направленные на безмазутную растопку паровых котлов и стабилизацию процесса горения в топочной камере. Дело в том, что использование мазута при горении углей приводит не толы® к удорожанию производства электроэнергии из-за неполноты их сгорания, (неполнота сгорания возрастает до 15%) и увеличению скорости высокотемпературной коррозии поверхностей нагрева котлоагрегата. Но и к ухудшению экологических показателей работы электростанций, вызванного возрастанием содержания в дымовых газах оксидов азота (на 40..50%) и серы.
Физико-химические основы воздействия низкотемпературной плазмы на горение органических углеводородных топлив состоят в том, что в плазменных областях из-за высокой температуры генерируются электроны, ионы, возбужденные атомы и фотоны. Кроме того, при сгорании в присутствии электрических полей угольной пыли образуются твердые заряженные частицы. Их наличие в газовой фазе характерно для пылевой плазмы и может изменить многие характеристики процесса горения. Генерация электронов, положительных и отрицательных ионов, возбужденных атомов и фотонов приводит к интенсификации диссоциации молекул, возникновению химически активных радикалов и улучшению процесса горения.
Аэрохимический аспект влияния плазмы на горение проявляется при взаимодействии плазменной струи с пылеугольным потоком. Воздействия низкотемпературной плазмы на горение органических углеводородных топлив могут осуществляться посредствам введения плазменно-воздушной струи с температурой 3000... 13000 К в пылеугольную горелку или в основание пылеугольного факела в
топочной камере парогенератора. Даже на расстоянии трех калибров от среза сопла плазмотрона на оси струи рабочего тела температура достигает 10000 К., при смешивании пылеупжьного потока с плазменной струей происходит интенсивный нагрев твердых частичек со скоростью 103... 104 град/с и последующее их разрушение, вызванное возникающими при этом термохимическими напряжениями. Частицы углей с первоначальным размером 250 мкм могут дробиться на части размером 5... 10 мкм. Воздействие плазмы на твердые частички угля приводит к сублимации атомов углерода которые диффундируют в окружающую среду, обеспечивая тем самым более интенсивное их взаимодействие с окислителем-и сдерживая режим гомогенного горения. Таким образом, высокие температуры плазменной струи способствуют эффективному воспламенению пылеугольного факела даже при относительно низкой средней температуры аэросмеси.
Уменьшение вредного воздействия энергетических объектов на окружающую среду при использовании плазмохимических процессов в технологиях очистки дымовых газов.
Ущерб, нанесенный растительности, животному миру, здоровью людей и сооружениями выбросами кислотных газов (S02, NOx) и золы от тепловых электростанций, заставили общество и его властные институты по-иному взглянуть на проблемы энергетики, вырабатывать и реализовывать новые требования к выбросам и стоком ТЭС, необходимые для выживания человечества и сохранения среды его обитания. Это было сделано с помощью очистных устройств и изменений основных производств электроэнергии из органических топ лив. Кроме локальных и региональных проблем, в последние годы большую обеспокоенность вызывает глобальное потепление, которое может возникнуть из-за увеличения концентрации СО2 в атмосфере. Данные МЭА о выбросах СО и их изменение с 1973 до 2001 гг. приведены на графике 3.
График 3. Эмиссия С03вызванная сжиганием различных видов топлива
Наряду с традиционными химико-механическими способами очистки дымовых газов в настоящее время в индустриально развитых странах мира продолжаются поиски более экономичных методов удаления из дымовых газов промышленных предприятий, и в первую очередь тепловых электростанций, оксидов азота и серы, фенолов и других экологически вредных продуктов. Существенный прогресс в этом направлении может быть достигнут при использовании газоразрядных методов очистки дымовых газов. Исследования, которые ведутся в основном на лабораторных и опытно-промышленных установках, связаны с применением стримерной короны импульсного высоковольтного разряда, электронных пучков, неравновесной плазмы тлеющего разряда высокого давления, в котором температура электронов существенно превышает температуру тяжелых частиц (ионов и атомов).
Суть этих методов заклинается в интенсивной генерации экологически безопасных и эффективных окислителей химически свободных радикалов. Для успешного применения названных методов необходимо обеспечить ввод энергии наурвне 0,5... 1 эВ на молекулу удаляемого оксида. Под воздействием этих продуктов разряда и при добавлении в дымовые газы аммиака оксиды азота и серы превращаются в аэрозольные частицы из нитратов и сульфатов аммония. Химические реакции, обеспечивающие эту счистку, могут проходить в газовой, жидкой, гетерогенной или термической фазах. В настоящее время предложено несколько схем очистки дымовых газов с использованием плазмы. Все они включают в себя: традиционный электрофильтр для улавливания твердых частичек из отходящих дымовых газов, элекгроразрядное устройство для разрушения оксидов и мокрый скруббер.
Эффективность очистки существенно зависит от типа и структуры разряда. Оценочно, капитальные затраты для очистки отходящих газов от КОх и 50х посредством радиационных технологий могут составлять 120(Ы/100)138 дол/ МВт, где N-установленная мощность энергоблока, МВт. Дальнейшее совершенствование уже используемых электроразрядных технологий может привести к некоторому уменьшению капитальных затрат, однако увеличение степени очистки и требование к удалению химических элементов, отличных от ТМОх и 8Ох, может существенно повысить эти затраты. Дальнейший прогресс в этом направлении связан с поиском новых технологий очистки, позваляющих обеспечить расходы электроэнергии на очистку от выбросов газообразных продуктов на уровне существующих расходов на электрофильтры.
Один из новых методов очистки дымовых газов на ТЭС-принципиально отличный от широко известных - основан на использовании электрических разрядов, возникающих в сильных электрических полях возле разряженных капель воды. Этот метод позволяет совместить в себе электрофильтр с повышенной влажностью и мокрый скруббер. Он предназначен для очистки СОг и ЗЧОх на
ТЭЦ. Проведенные работы дали возможность создать модель физических процессов происходящих в комбинированной системе мокрый электрофильтр - сруб-бер, разработать компьютерные коды для моделирования явлений в таких системах и предложить инженерные решения по реализации данной технологии. Предложенная технология базируется на уже существующих на электростанциях процессах и доступна для эксплуатации традиционным техническим персоналом электростанции.
Таким образом, в результате проведенного анализа перспектив применения электроразрядных и плазменных технологий в теплоэнергетике было доказано, что: низкотемпературная плазма, создаваемая с помощью плазмогронова постоянного или переменного токов и СВЧ - плазмотронов, может эффективно использоваться для интенсификации процессов горения твердых топлив и водо-мазутных эмульсий в парогенераторах, а также для снижения вредных выбросов в окружающую среду; наличие электромагнитных полей позволит интенсифицировать тепломассообмен и управлять процессом горения; имеющийся научный, инженерный и технологический опыт, накопленный в соседних дисциплинах, поможет обеспечить быстрый технический прогресс как в стационарном, так и в транспортной теплоэнергетике.
