Факультет инженерных систем и экологии

официальный сайт

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Главная Новости Наука Теплоэлектростанция будущего

Теплоэлектростанция будущего

b_200_150_16777215_0___images_stories_year2016_station.pngАвтор СЕВЕРЯНИН Виталий Степанович

Введение

Теплоэлектростанция относится к энергетике и может быть применена на отдаленных мощных угольных бассейнах.

Планета Земля обладает громадными органическими ресурсами, способными удовлетворять антропогенные технические потребности не менее чем на тысячу лет. Вероятно, более важной проблемой может быть экономное расходование кислорода атмосферы на реализацию энергохимических процессов. Назрела необходимость разработки таких технологий использования углеводородного сырья, когда снижается ущерб от интенсивного расходования кислорода.

Российская федерация обладает самыми большими в мире запасами угля. Если общие мировые ресурсы составляют 14 триллионов  тонн, то на РФ приходится 6,8 трлн. тонн, а такие уникальные бассейны, как Тунгусский и Ленский содержат соответственно 2,3 и 1,8 трлн. т угля.

Поэтому использование таких ресурсов кроме ядерных и термоядерных источников, с минимальными вредными воздействиями на среду – важнейшая энергетическая задача современной цивилизации вообще.

Исходные условия

Основа современной электроэнергетики – тепловые электростанции, базой которых является паросиловая установка [1]. Она состоит из парогенератора, в топке которого сжигается органическое топливо, турбогенератора, паровая турбина которого вращает электрогенератор, конденсатора, градирни (при отсутствии водоемов).

Недостатки теплоэлектростанции – загрязнение окружающей среды продуктами сгорания топлива – зольные остатки, вредные газовые химические соединения (двуокись углерода, влияющая на оптические свойства атмосферы), необходимость добычи и транспортировки топлива.  Работа теплоэлектростанций согласно второму закону термодинамики сопровождается и «тепловым отравлением», альтернативой  которого может стать лишь, например, обогрев объектов типа оранжерей.

Получение больших количеств электроэнергии традиционным способом поэтому имеет предел, выше которого целый регион может пострадать от смога, парникового эффекта, недостатка кислорода, кислотных осадков.

Известны устройства подземной газификации угля (предложено еще Д.И. Менделеевым), когда забой в угольном пласте поджигается и режим ведется с недостатком окислителя [2,3]. Продуктом процесса сгорания является окись углерода, которая удаляется из забоя и транспортируется на поверхность  и далее по газопроводам – к топкам котлов, где сжигается. Такая установка в СССР была реализована, например, на одной из электростанций Ангренского буроугольного месторождения в Узбекистане.

Вначале работает реакция 2С+О2→2СО , затем 2СО+О2→2СО2

Недостатком такой схемы является выброс в атмосферу газообразных продуктов сгорания, содержащих вредные примеси, отсутствие воспроизводства топлива, низкая энергетическая ценность полученного топлива, необходимость в топочном оборудовании.

Цель описываемого ниже предложения, его экономическое обоснование – предотвращение выброса в окружающую среду вредных продуктов сгорания, воспроизводство топлива и кислорода, отказ от топочных устройств в паросиловой установке, уменьшение транспортных расходов.

Схемные решения

На прилагаемом чертеже (рис. 1) показана принципиальная схема теплоэлектростанции, основная идея которой запатентована автором еще в 1994 г. [4].

Схема теплоэлектростанции

Эта теплоэлектростанция состоит из обычного цикла Ренкина паросиловой установки, который включает следующее оборудование:  парогенератор 1 водотрубного типа, турбогенератор 2 из паровой турбины с электрогенератором,  трансформатором и электрическим распредустройством,  конденсатор 3, «сухие градирни» 4.

Часть угольного пласта является рабочим забоем 5, в котором происходит горение. Зона горения рабочего забоя имеет стволы 6.

Правее рабочего забоя 5 расположены отработанные забои 7, в которых топливо уже выгорело и остались все зольные и другие твердые остатки; отработанные забои имеют упомянутые стволы. Левее рабочего забоя 5 находится подготовительный забой 8, который представляет собой предварительные горные проходки.

Газовый выброс 9 из парогенератора 1 в виде теплоизолированного газохода соединен со стволом 6' отработанного (предыдущего) забоя 7. В устье этого ствола находятся впрыскивающие устройства системы 10 связывания окислов серы и азота, состоящие из форсунок 11, насосов 12, баков, дозаторов, донного бассейна 13, трубопроводов 14. В отработанном забое 7 расположены очистные элементы 15, представляющие собой смоченные конгломераты шлама, породы, сформированные крепежными конструкциями. По краям отработанного забоя 7 имеются сепаратор 16, например, уголкового типа, и экраны 17 в виде щитов-заслонок.

В последующих отработанных забоях 18 размещены на стеллажах растительная биомасса 19 (водоросли, кустарниковые, грибковые и другие организмы), гидропонные приспособления 20 в виде специальных коробов, на потолке – электрические люминесцентные светильники 21.

Подготовительный забой 8 представляет собой массив угля с каналами, подготовленный к сжиганию; этот забой также оборудован стволами 6''.

Параллельно основным забоям могут быть резервные. Отработанный забой может быть выделен для хранения технической и оборотной воды и т.п.

Тягодутьевые машины 22, (вентиляторы, дымососы), светильники 21,  насосы автоматика и т.д. являются механизмами и оборудованием собственных нужд электростанции.

Проходы стволов, штолен, подготовка забоев, монтаж и обслуживание всех подземных узлов, механизмов, приспособлений ведется дистанционно или автоматически специальными машинами, роботами т.п.

Доставка оборудования, конструкций, механизмов, реактивов на отдаленные строительные площадки, например, в зоне Тунгусского, Ленского бассейнов, производится дирижаблями. Теплоэлектростанция связана при помощи ЛЭП 23 или другими способами с энергосистемами страны и заграницы.

Действие теплоэлектростанции

Работает теплоэлектростанция следующим образом.

1) Строительство и монтаж

Геологоразведочными методами определяется место будущей теплоэлектростанции (мощность пластов от метра и более, возможность развития процесса подземного горения на несколько лет, наличие вечномерзлотных участков, роза ветров, грунтовые и поверхностные воды и т.д.).

Производится проходка стволов угольного пласта, подготавливается рабочий забой 5 (высверливаются каналы для горения). Предполагаемые размеры зоны горения: поперечное сечение забоя – несколько квадратных метров, длина – десятки метров.

Ведется монтаж паросиловой установки известными методами. В устье одного из стволов 6 устанавливается поверхность теплообмена парогенератора 1, в устье других стволов 6 монтируются тягодутьевые машины 22.

Ведется разработка так же подготовительного забоя 8. Для вечномерзлотных условий требуется усиление стволов, в забоях – применение крепи и др.

2) Пусковой период

Производится поджигание угольного рабочего забоя 5. Горение происходит в каналах, воздух подается вентиляторами, забой находится под избыточным давлением, горячие газы (продукты сгорания) поднимаются вверх, охлаждаются теплообменными поверхностями парогенератора 1. Производится разворот турбогенератора 2, чем обеспечивается снабжение собственных нужд строящейся станции. Газы после парогенератора 1 в пусковой период выбрасываются в атмосферу (после соответствующей очистки). Охлаждение оборотной воды конденсатора 3 ведется в сухой градирне 4, обдуваемой холодным воздухом, который, подогретый таким образом, вентилятором подается в рабочий забой 5.

По мере выгорания рабочего забоя 5 подготавливается аналогичное оборудование на подготовительном забое 8, устанавливается своя паросиловая установка. После выжигания топлива в забое 5 его паросиловая установка демонтируется – после пуска паросиловой установки бывшего подготовительного забоя.  Тем временем разрабатывается новый подготовительный забой (на чертеже не указан, он будет левее забоя 8).

Отработанный (бывший рабочий 5) забой 7 выхолаживается  (воздухом, водой) до температур, при которых доступен монтаж очистных элементов 15, сепараторов 16, экранов 17. после установки этого оборудования газовый выхлоп 9 из рабочего парогенератора 1 соединяется со стволом 6. Включается система 10 связывания окислов серы и азота. Работа ее заключается в том, что в ствол 6' впрыскивается форсунками 11 реактив (раствор аммиака, суспензия доломита и проч.), по длине ствола идет реакция связывания, жидкость сепарируется на очистных элементах 15, стекает в донный резервуар 13,  насосом 12 подается по трубам 14 наверх для регенерации,  дозирования. Очищенный от вредных газовых компонентов и взвешенных частиц газ выбрасывается через другой ствол 6 в атмосферу.

После выгорания нового рабочего забоя, полного охлаждения бывшего рабочего забоя – производство электроэнергии переводится на новый подготовительный забой (левее поз.8) описанными выше путями. Наступает третья фаза пускового периода: приживание биомассы 19 в забое, который до этого выполнял функцию очистки. Для этого из него удаляются очистные элементы 15, сепараторы 16, экраны 17 и переносятся в забой, который  должен стать очистным в данный момент – рабочий забой 5. (Для маневра при осложнениях должны иметься резервные забои разной стадии использования). На месте удаленных очистных элементов 15 монтируются стеллажи для растительной биомассы 19, гидропонных приспособлений 20, светильники 21.

Прежняя система связывания 10 окислов серы и азота переводится в режим питания растительной биомассы 19. Последнее мероприятие третьей фазы пускового периода – направление топочного газа после парогенератора 1, прошедшего очистку, не в атмосферу, а в забой 18, где развилась растительная биомасса 19.

3) Рабочий режим

На рис. 1 схематично изображена теплоэлектростанция в рабочем режиме.

В рабочий забой 5 через стволы 6 подается воздух, предварительно подогретый до 20 - 30°С в сухих градирнях 4.

В каналах забоя 5 идет химическая реакция горения углерода топлива.

Режим горения подачей воздуха регулируется так, чтобы поддерживался оптимальный топочный режим (коэффициент избытка воздуха 1,1…1,2; температура газов на выходе 1000 - 1500°С; зола и порода могут оплавляться, образуя шлаковые конгломераты, используемые в будущем как очистители топочных газов). В парогенераторе 1 образуется пар, он подается в турбину турбогенератора 2, далее поступает в конденсатор 3, где охлаждается оборотной водой сухих градирен 4, конденсат подается в парогенератор 1. Вырабатываемая электроэнергия, за вычетом собственных нужд, подается в ЛЭП 23. Газы после парогенератора 1  газовым выхлопом 9 с температурой  при помощи дымососа вводятся в ствол 6' отработанного забоя 7. В этом стволе идет обработка газов реагентами для связывания и удаления окислов серы и азота. Газы далее очищаются на очистных элементах 15, из них сепарируется  влага и частицы в сепараторе 16,  и подаются на растительную биомассу 19. Для регулирования температуры 9 (порядка 30°C) и газового остатка подается атмосферный воздух. Биомасса 19, облучаемая светильниками 21 и питаемая минеральными и биологическими активными веществами системы  гидропоники 20, интенсивно поглощает двуокись углерода и выделяет кислород. Здесь идет фотосинтез:

(6CO2+6H2O+hv)хлорофилл→C6H12O6+6O2

Поэтому после подземных разработок , где выращивается растительная биомасса 19, в атмосферу  выбрасывается  обогащенный кислородом газовый поток. Таким образом, предлагаемая теплоэлектростанция в окружающую среду не выделяет вредных веществ; зола и шлам остаются в забое, в атмосферу не выдается в большом  количестве двуокись углерода, идет обогащение кислородом, связанные окислы серы и азота сконцентрированы и легко складируются с последующим использованием.

Как видно на рис. 1, в процессе работы теплоэлектростанция смещается влево, т.е. ее энергоагрегаты переносятся на новые участки, при помощи не показанных на схеме подъемно-транспортных механизмов, при этом под землей станция оставляет после себя плантации растительной биомассы с искусственным климатом, обеспеченным такими же электротечениями. Возможно и другое.

4) Наработка и использование нового топлива

Энергетические и материальные балансы развития растительной биомассы 19 в отработанных подземных полостях легко регулируются, не зависят от внешних условий, поэтому возможна интенсивная наработка нового органического горючего. Известны предложения [5] по использованию древесины быстрорастущих деревьев в качестве топлива, при этом предполагается  срезанные стволы сушить дымовыми газами, далее подвергать газификации для получения окончательного топлива для паросиловой установки. Однако, предлагаемый комплексный подход к наработке нового горючего представляется более совершенным энергетически, более чистым экологически, выгоднее экономически.

Хотя энергетическая ценность нового топлива в предполагаемой схеме, возможно, ниже калорийности сожженного угля, энергоемкость плантаций можно увеличить их размерам, плотностью высева биомассы, ее качеством.

Использовать полученное новое топливо можно несколькими способами:
1) непосредственное сжигание по описанной выше методике;
2) газификация с использованием окиси углерода;
3) генерация биогаза (в основном метана) известными способами.

Выбор варианта использования нового растительного горючего будет зависеть от конкретных условий.

Выводы

 

  1. Экономический и социальный эффект от получения электроэнергии на предполагаемых теплоэлектростанциях заключается в отказе от транспортных издержек по доставке топлива и удаления золошлаковых остатков, в предотвращении выброса вредных веществ в окружающую среду, в обогащении кислородом близлежащих территорий, в частичном возобновлении органического топлива.
  2. Привести количественные сопоставления в настоящее время затруднительно из-за недостатка данных по новому оборудованию, которое должно быть разработано в будущем.
  3. Целесообразно привлечение к реализации проекта стран-инвесторов с соответствующими финансовыми возможностями, недостаточной собственной энергоресурсной базой, с большими потребностями в электроэнергии (например, Япония и Китай близки к упомянутым месторождениям).
  4. Требуются уточняющие термодинамические, конструкторские, экономические расчеты.
  5. Данное  предложение является вариантом избавления мировой экономики от фатальной зависимости от нефти. Моторное органическое топливо хотя бы частично может быть вытеснено электромобильными машинами.

 

 

Литература

  1. Теплотехнический справочник, Том 1. Изд. Энергия, М, 1975, с.450
  2. Политехнический словарь. Изд. Советская энциклопедия, М, 1989, с.394
  3. Смекалиин И.В., Газоснабжение. Часть 1. Изд. по строительству и архитектуре. М, 1955, с.141-143, рис. 54
  4. Северянин В.С. Тепловая электрическая станция Патент РФ №         2 023 170, С1, F01k13/00, 1994 г. Бюл. №21
  5. Журнал «Энергия: экономика, техника, технология», №12, 1989 г., с. 31- Растительное топливо.
 
2018 год в Беларуси объявлен Годом малой родины
Просмотры материалов : 561966