Сжигание угля

Во многих странах большую часть энергии для производства тепла, используемого в промышленности и для отопления жилых зданий, до настоящего времени получают с помощью сжигания мазута и природного газа. В этих секторах большие потенциальные возможности имеет уголь как альтернативный (нефти и газу) вид топлива. Для усиления стимула более широкого его использования в качестве топлива при производстве тепла и пара для промышленности и для крупных теплоэлектростанций в настоящее время ведутся большие работы по совершенствованию технологий. Основная цель этих технологий - повысить эффективность процесса сжигания угля, расширить потребление низкокачественных углей в промышленных топках и снизить остроту проблемы охраны окружающей среды. Наиболее перспективными из разрабатывающихся технологий являются сжигание угля в псевдоожиженном слое и производство стабильной угленефтяной суспензии для ее сжигания в топках с форсунками, а также магнитогидродинамической технологии.

Сжигание угля в псевдоожиженном слое. Технология сжигания угля в псевдоожиженном слое при атмосферном давлении может быть использована для котлов производительностью до 500 т промышленного пара в час. Ожидается, что эта технология после доработки в ближайшее десятилетие может быть применена на крупных теплоэлектростанциях (с несколькими установками мощностью от 200 до 300 МВт). Установки, использующие метод сжигания угля в жидком слое под высоким давлением, в настоящее время находятся на первоначальной стадии разработки.

Технология ожижения угля была разработана в начале 20-х годов и в настоящее время широко применяется в химической и пищевой отраслях промышленности (т. е. в установках каталитического крекинга и сушильных установках для обезвоживания различных материалов). Системы использования псевдоожиженного слоя применяются также при сжигании отходов. Обычно при данной технологии наблюдается умеренное выделение тепла, но при сжигании угля образуется чрезмерное количество тепла, обусловливающее необходимость установки дополнительного оборудования контроля за температурой слоя и степенью сгорания углерода.

В камере сгорания при использовании технологии сжигания угля в псевдоожиженном слое на пористой или перфорированной плите размещается дробленый инертный материал (как правило, для этого используется известняк, являющийся абсорбентом окислов серы). Через перфорированную плиту снизу вверх в инертный слой подается воздух, который при определенной скорости образует вместе с материалом слоя однородную среду, по своим характеристикам аналогичную жидкости. Этот псевдоожиженный слой нагревается до минимальной температуры сжигания угля (приблизительно около 900⁰ С) и в него в распыленном виде подается уголь. Данная температура сжигания значительно ниже той, которая применяется в обычных пылеугольных топках (1300 - 1500 ⁰С). Трубы, по которым подается вода, располагаются в пределах псевдоожиженного слоя, в них и образуется пар.

При использовании данной технологии достигается высокая эффективность передачи тепла при значительно более низкой температуре сжигания угля, что позволяет с помощью измельченного известняка эффективно абсорбировать окислы серы. Угольная зола вместе с отходами постоянно удаляется из псевдоожиженного слоя.

Котлы, в которых используется метод сжигания в псевдоожиженном слое, имеют целый ряд важных преимуществ по сравнению с котлами обычной конструкции. Улавливание окислов серы в псевдоожиженном слое снижает остроту проблемы очистки от сернистого газа дымовых газов. Кроме того, более низкая температура горения значительно уменьшает образование окислов азота. Этот метод также делает возможным использование углей с очень высоким содержанием золы: могут сжигаться даже отходы производства угледобывающих предприятий и обогатительных фабрик. Размеры котлов, использующих технологию сжигания в псевдоожиженном слое, меньше обычных аналогичной мощности, так как передача тепла к водонесущим трубам, проходящим через псевдоожиженный слой, происходит эффективнее, чем в обычных котлах.

Установки, использующие технологию сжигания угля в псевдоожиженном слое под давлением, в настоящее время находятся на стадии конструкторских разработок и обещают потенциальные преимущества: они будут еще более компактны и обеспечат более эффективное поглощение окислов серы и азота. Кроме того, дымовые газы под давлением подаются в радиально-осевую турбину с замкнутым циклом, что позволяет повысить эффективность производства электроэнергии. Однако в связи с множеством проблем, нуждающихся в решении, промышленное внедрение данной технологии потребует времени на 5 лет больше, чем технологии сжигания угля в псевдоожиженном слое при атмосферном давлении.

Угольно-нефтяные смеси. Наибольшее применение угольно-нефтяные смеси нашли в США и Японии. Эти смеси могут сжигаться в современных топках, предназначенных для использования нефтепродуктов, при удельном содержании угля в смеси от 20 до 50 %. Такая идея давно известна, а возможность ее применения была установлена в течение краткосрочных испытаний. Но при планировании использования нефтяных топок для сжигания угольнонефтяных смесей необходимо особое внимание уделять факторам стабильности смеси в течение длительного периода времени, проблеме образования шлаков от угольной золы, снижению производительности котлов, необходимости установки дополнительного оборудования для очистки дымовых газов и оборудования для приготовления угольно-нефтяной смеси. Однако при создании котлов новых конструкций наиболее эффективным способом решения прямого сжигания угля является именно данный метод.

Магнитогидродинамическая технология (МГД-генераторы). Применение МГД-генераторов предполагает потенциальную возможность производства электроэнергии на основе использования низкотемпературной плазмы, образовавшейся при сжигании угля без применения паровых или газовых турбин. Эта цель достигается с помощью получения газа с температурой, превышающей 2000 ⁰С, в который добавляются специальные присадки (например, калий), обусловливающие повышенную ионизацию и активизирующие электропроводность газа до состояния плазмы, пропускаемой с высокой скоростью через поперечное магнитное поле. Данная концепция известна очень давно, но для того чтобы этот метод стал применяться на практике, необходимо преодолеть много трудностей. Основными проблемами, требующими своего решения, являются: 1) создание соответствующих огнеупорных материалов, которые способны выдерживать агрессивное воздействие плазмы, и 2) разработка эффективной технологии извлечения из нее ранее добавленных присадок. Если эти проблемы будут решены, то комбинация из МГД-генератора и парогенератора с замкнутым циклом позволит довести эффективность использования энергии угля приблизительно до 45 - 55 % по сравнению с максимальными 40 % обычной теплоэлектростанции.