Способ сжигания каменного угля

Технология Clean Coal — чистое сжигание угля

В сентябре 2008 года на одной из угольных станций Германии была запущена в эксплуатацию первая в мире опытная электростанция, использующая технологию чистого сжигания угля (clean coal)

Каменный уголь, начиная с периода промышленной революции, играет важнейшую роль в топливном балансе планеты. На сегодня, его доля среди всех используемых источников энергии составляет около 23%. Уголь – это самый доступный энергоресурс, его потребление растет повсеместно. Например, с 2001 по 2005 год потребление угля (для разных нужд) в США выросло почти на 50%, в Индии на 70%, а в Китае оно удвоилось.

Запасы угля в отличии от нефти и газа огромны. Уголь способен обеспечивать энергетические аппетиты планеты в течении ближайших столетий. Однако, уже давно доказано, что уголь, как топливо, имеет существенные недостатки, главный из которых – огромный ущерб экологии.

При сжигании угля в атмосферу в значительных концентрациях попадает целый ряд опасных соединений (NOx, SO2 и пр. ), среди которых есть и парниковые газы. Особенность угля, как топлива, в том, что на один выработанный кВт*ч электроэнергии на угольной станции приходится значительно большая эмиссия парниковых газов, чем на газовой станции. Именно сжигание угля является основным антропогенным фактором глобального потепления. К сожалению, альтернативы использованию угля в энергетике, особенно в развивающихся странах на сегодня нет. Поэтому, ученые бьются над задачей снижения экологического ущерба от его использования.

Еще недавно задача казалась невыполнимой. Предлагавшиеся методы были практически не реализуемыми и приводили к отрицательной энергетической эффективности угольных станций. Построенная в Германии опытная установка, должна на практике доказать, что создание эффективной «чистой» угольной электростанции возможно.

Строительство установки осуществила одна из крупнейших немецких энергетических компаний — Vattenfall. Пилотный проект является важной вехой на пути к реализации стратегической цели компании – строительству коммерческой «чистой» угольной станции в периоде между 2015 и 2020 годом.

Реализация проекта была начата в 2005 году, когда Vattenfall принял решение о строительстве первой в мире опытной «чистой» угольной электростанции мощностью 30 МВт, использующей технологию сжигания угля в чистом кислороде с последующей очисткой дымовых газов и утилизацией углекислого газа (oxyfuel capture method). За три года в проект было инвестировано 50 млн. евро.

Опытную станцию было решено построить рядом с действующей угольной станцией мощностью 1600 МВт в местечке Schwarze Pumpe в восточной Германии. Такое решение позволило частично использовать уже существующие технологические цепочки.

Для реализации проекта компания Vattenfall выбрала один из трех широко известных методов утилизации углекислого газа. Выбранный метод наиболее экономичен и приспособлен для широкого распространения на действующих угольных станциях.

Суть метода состоит в том, что из воздуха выделяется кислород, который смешивается с угольной пылью и сжигается. При сжигании угля в чистом кислороде (а не в воздухе) в дымовых газах отсутствуют опасные соединения азота (NOx). После нескольких ступеней очистки в дымовых газах остается лишь углекислый газ. Газ сжимается в компрессоре в 500 раз и закачиваться в емкость для транспортировки к месту захоронения на глубине 1000 метров под поверхностью земли. Таким образом, закаченный газ будет надежно скрыт от попадания в атмосферу.

Модель станции Schwarze Pumpe. По сравнению с гигантской действующей угольной станцией (на изображении справа) опытная установка (слева) выглядит, как лилипут.

Остается нерешенным вопрос, захотят ли энергетические компании платить высокую цену за установку на своих станциях утилизационного оборудования и оплачивать строительство хранилищ газа. Одной из экологических групп выражающих сомнение в целесообразности освоения новой технологии является известная организация Greenpeace. Ее специалисты считают, что новая технология служит лишь поводом для оправдания продолжения строительства угольных станций. По их мнению, новая технология слишком дорога и она осваивается слишком поздно, чтобы изменить ситуацию с эмиссией парниковых газов. Кроме того, исследования в области «чистого угля» отвлекают столь необходимые ресурсы от альтернативных источников энергии, энергосбережения и энергоффективности — от тех сфер, в которых действительно может быть найдено решение проблемы.

Евросоюз в течение ближайших лет планирует запустить в эксплуатацию 10–12 демонстрационных установок по утилизации углекислого газа на разных станциях Европы. Многие энергокомпании давно проявляют интерес к этому проекту, но никто из них еще не приступил к строительству. Правительство Великобритании в октябре заявило, что присоединяется в программе Евросоюза и готово участвовать в финансировании пилотного проекта.

Одним из главных факторов, тормозящих внедрение технологии, является отсутствие согласия между Европейской комиссией и парламентом по поводу того, как финансировать эти проекты. Требуются десятки миллиардов долларов для того, чтобы дооборудовать действующие станции. При этом, никто не хочет перекладывать эти инвестиции на плечи потребителей энергии.

В настоящее время дискутируются несколько вариантов финансирования:

• Прямое выделение средств из бюджета европейского союза и государств-членов,
• Премирование тех энергокомпаний, которые будут уменьшать эмиссию углекислого газа,
• Создание нового фонда, который будет действовать в рамках европейской системы торговли квотами на эмиссию парниковых газов (EU’s Emission Trading Scheme (EUETS).

Фонд будет кредитовать энергокомпании, но не денежными средствами, а квотами на выброс парниковых газов. Расплачиваясь за кредит, энергокомпания должна будет закачать определенное количество тонн углекислого газа в подземные хранилища.

Так как технология строительства коммерческих станций с утилизацией углекислого газа еще не существует, никто не знает, какова будет окончательная стоимость таких объектов. Согласно разным оценкам, стоимость одного киловатта установленной мощности на угольной станции с утилизацией СО2 может быть сравнима с ветроэнергетической установкой (то есть около 3000 долл. за кВт).

Метод «oxyfuel capture»

Опытная электростанция в местечке Schwarze Pumpe

Метод утилизации углекислого газа «oxyfuel capture»

Стадии процесса сжигания угля и утилизации дымовых газов:

1. Разделение воздуха

В специальной установке удаляется азот, доля которого в воздухе достигает 78%. Существенным недостатком технологии являются большие энергозатраты на процесс разделения, существенно снижающие эффективность станции в целом.

2. Сжигание топлива

В котле происходит сгорание угля и образование пара, который приводит во вращение турбину. Кислородно-угольная смесь сгорает при более высоких температурах, чем воздушно-угольная. Для того, чтобы снизить температуру часть отходящих дымовых газов возвращается в котел.

3. Удаление золы из дымовых газов

Для удаления золы используются электромагнитные фильтры.

4. Удаление оксидов серы

Из дымовых газов удаляется оксид серы (SO2), который при попадании в атмосферу может стать причиной кислотных дождей. Для удаления этого соединения в поток дымовых газов подается струя из смеси воды и известняка. SO2 вступает в реакцию и образуется гипс, который в дальнейшем может использоваться в строительстве.

5. Охлаждение и конденсация

На этом этапе дымовые газы охлаждаются, в результате чего пары воды конденсируются. Поскольку азот был удален из воздуха еще до попадания в котел, в дымовых газах отсутствуют опасные соединения азота (NOx). После прохождения этого этапа дымовые газы представляют собой практически чистый поток углекислого газа.

6. Сжатие углекислого газа

Содержание СО2 в дымовых газах на этом этапе достигает 95%. При давлении около 70 атмосфер газа становится жидким, напоминающим по плотности тяжелую нефть. После этой стадии углекислый газ готов к транспортировке и захоронению.

Компания Vattenfall продолжает исследовать потенциал и двух других технологий – удаления углекислого газа в дымовых газах после сжигания (метод postcombustion) и до сжигания (метод precombustion).

Метод «pre-combustion»

Отличие метода состоит в том, что на первом этапе уголь подвергается газификации (нагреванию) в результате чего получается синтетический газ и твердый остаток. Затем синтетический газ проходит ряд ступеней очистки и подвергается химической реакции, в ходе которой содержащийся в синтезгазе монооксид углерода (СО) преобразуется в водород (H2) и углекислый газ (CO2). Углекислый газ удаляется из синтеза-газа при помощи жидкого абсорбента. Оставшийся водород сжигается в газовой турбине. В отдельной установке углекислый газ восстанавливается и затем подвергается сжатию.

В этом методе уголь сжигается, смешиваясь с воздухом в обычном котле. Затем происходит удаление золы и SO2, после чего при помощи жидкого абсорбента удаляется углекислый газ. Главный минус этого метода в том опасный оксид азота (NOx) попадает в атмосферу.

Последняя стадия процесса утилизации углекислого газа – это захоронение его в подземных хранилищах, где он должен оставаться тысячи лет.

Для наиболее эффективной транспортировки углекислый газ должен быть сжижен при давлении около 70 атмосфер. Транспортировка возможна при помощи трубопроводов, танкеров, цистерн.

Захоронение газа на глубине 800 метров и более дает гарантию сохранения давления, то есть газ будет оставаться в жидкой фазе. Для хранилища подойдут достаточно распространенные области с пористыми породами. Например, может быть использован известняк, треть объема которого составляют поры. Над пористыми должны находится плотные породы (например глина), формирующие герметичный колпак, сохраняющий давление в хранилище.

В качестве хранилищ могут быть использованы:

• месторождения газа и нефти (причем как выработанные так и действующие). Эти хранилища доказали свою герметичность. Если бы эти области были не герметичными, не было бы и месторождений нефти и газа.
• подземные резервуары соленой воды. СО2 будет надежно хранится в таких резервуарах, подобно тому, углекислый газ хранится в бутылках с газированной минеральной водой.
• неиспользуемые угольные месторождения. Уголь так же имеет микропоры, которые могут быть заполнены углекислотой.

Согласно последним исследованиям, емкости всех известных месторождений нефти и газа достаточно, чтобы закачивать в них весь объем эмиссии СО2 на планете в течение 40 лет. Емкость резервуаров соленой воды, по мнению ученых, в 100 превышает емкость нефтяных и газовых месторождений. Таким образом, на земле вполне достаточно емкостей для захоронения углекислого газа в течение нескольких веков. Проблема только в том, что емкости размещены крайне неравномерно. В Индии и Японии, например, их практически нет. С другой стороны, это открывает новые возможности для бизнеса в беднейших странах, которые могли бы представлять свои хранилища развитым странам за плату.

Источник

Горение угля, как им топить, длительное сжигание

От качества угля зависит количество энергии, которую можно из него получить, а также время на обслуживание, количество получаемой золы, возможность им отапливать… Какой уголь лучше подойдет для домашнего отопления? Как его правильно сжигать, чтобы достигнуть максимума энергоотдачи и минимума забот?

Температура горения угля и другие характеристики

Часто спрашивают, — какая температура горения угля?, — хоть это значение мало на что влияет. Гораздо важнее другие параметры.

• теплотворность – количество выделяемого тепла с килограмма топлива, кВт/кг;
• зольность – количество золы которая останется после сжигания угля, % к общей массе. Она снизит общую теплотворность, нам придется вычищать ее с котла и утилизировать,

• Спекаемость – способность углей создавать спекшуюся золу, что очень вредно.
• Влажность, как внутрипластовая, так и привнесенная, — не мокрый ли уголь? Мокрый лучше сушить предварительно в естественных условиях, чем сжигать его в котле с потерей энергии, которая уйдет на испарение этой воды.
• Выход летучих, склонность к коксованию, — коксующиеся марки угля не подходят для отопления.

Подробней о зольности

Зольность бывает следующей.

• Внутрипластовая – это те минеральные примеси, «песок и камни», которые находятся внутри угольного пласта, в каждом кусочке угля, и их невозможно извлечь при обогащении. Хорошие угли имеют такую золу до 10%.
• Техническая – это горная порода, которая смешалась с углем при его добыче, в том числе и из больших породных пропластков внутри угольного пласта, и которую можно отделить от угля механическими методами при его обогащении. Подрубали шахтеры невзначай кровлю и почву пласта, — вот и лишние тонны, хоть зольность и повышена… Горная масса с шахты может быть и 35% зольности – совсем не подходит для домашнего сжигания.

Нужно иметь в виду, что подсыпка породы, значительно обогащает продающих уголь. Поэтому покупка угля — дело непростое. Нужно проверять топливо на наличие кусков породы, в том числе и присыпанных, непосредственно в вагоне, в автомобиле, до разгрузки. И отказываться от приобретения, если что…

Какая теплотворность у разных марок угля

Сколько мы сможем получить тепла от угля, достаточно ли его для обогрева дома?

Количество тепла в киловаттах, которое может выделяться из разных марок угля по сравнению с сухими дровами, приведена ниже, кВт/кг

• Дрова сухие – 4,0
• Угли бурые – 3,8 – 5,5
• Длиннопламенные – 6,0 -7,0
• Газовые и жирные — 7,5
• Отощенно-спекающиеся 7,0 – 7,4
• Тощаки – 7,4 – 8,0
• Антрациты – 7,8 – 9,5

В основном для домашних котлов подходят энергетические марки угля – тощие, антрациты и полуантрациты. Именно они меньше спекаются и образуют коксовые вещества, имеют минимум золы внутри пласта и лучшую теплотворность .

Помимо марки, нужно выбрать класс крупности угля.

В рекламных целя на упаковках продавец пишет лишь бы что…

Класс крупности угля, почему не топят угольной пылью

Угольная пыль и угольный штыб наиболее дешевые, отлично горят, но только в специальных печах электростанций. Там они сгорают в облаке с мазутом и воздухом. А в котле, они просто запечатывают прохождение воздуха через них, поэтому горение внутри их слоя невозможно. Угольный штыб в печках не горит, разве что небольшими добавками, засыпанный поверх горящего угля.

• Топить можно семечкой, но она как правило, просыпается через колосниковые решетки всех котлов…
• Для домашнего отопления используется более дорогие фракции – орех и кулак.
• Плитный уголь еще дороже, но в домашних условиях его разбивают на более мелкие части.

В угольной золе остается много несгоревших элементов. Золу, после сжигания, рачительные хозяева просеивают на металлической решетке 5 мм, и все крупное недогоревшее отправляют обратно в котел вместе со свежей порцией. Таким образом экономится 10 – 15% топлива.

Угольную пыль пробуют смачивать в лепешки, которые сушат, и в виде окатышей подают в котел.

Как правильно топить углем

Если в зону горения не додавать кислород, то вместо углекислого газа образуется угарный – CO, КПД от неполного сжигания уменьшается на 20 – 50%. Современные котлы обеспечивают подачу вторичного воздуха, для дожига СО и сажестых частиц при высокой температуре. Со старом же оборудованием, с печками, нужен практический навык по подаче воздуха поверх горящих углей для лучшего дожига и препятствия выброса несгоревших газов в атмосферу.

Подача большого количества первичного воздуха прямо в горящий уголь может сделать из котла кузнечный горн, повлечь за собой быстрое сгорание большой массы угля, резкое увеличение температуры выходящих газов до 1500 град и оплавление оборудования, воспламенение сажи в дымоходе, резкое падение КПД в несколько раз, из-за выноса энергии в трубу.

КПД угольного сгорания можно отслеживать по температуре исходящих газов, которая не должна повышаться. Воздуха должно быть столько, чтобы происходило полное сгорание топлива без СО и в тоже время не наблюдался рост температуры в дымоходе выше нормы. Как правило, современные угольные котлы умеют сжигать топливо нужным образом с максимальным КПД порядка 78%.

Как сделать длительное горение угля

Нормальное длительное горения с высоким КПД получается лучше на современном оборудовании. Но и на старых котла и печах, можно отыскать оптимальное примерное открытие нижних и верхних заслонок, чтобы обеспечить нормальную подачу воздуха поверх топлива, для дожига СО на теплообменнике.

Например, обычная старая угольная печка предусматривала такие регулировки:

• «поддувало закрыто»,
• «две верхние конфорки приоткрыты»,

— тогда порция угля тлеет – происходит длительное горение, но дожиг газов, как правило, полный.

В современных котлах за подобными режимами следит само оборудование.

Угольные котлы повышенной мощности (возможна большая загрузка) от известных производителей с подачей вторичного воздуха подойдут как дешевый и универсальный вариант домашнего отопления. В них можно сделать длительное горение большой загрузки угля путем перераспределения подачи воздуха.

Автоматизированные котлы, сейчас все более популярны. У них длительность горения обеспечивается угольным бункером и постоянной подачей в зону горения малых порций. Причем оборудование не обязательно слишком дорогое. Котлы с бункером, из которого топливо подгружается под собственным весом имеют демократичную цену. Котлы со шнековой подачей подороже, но умеют немного больше. Таким образом бункер позволяет не беспокоиться ежесуточно по поводу подброски топлива. Горение же идет, как правило, малыми порциями, но с полной подачей воздуха без образования больших объемов СО – Европейские экологические требования к оборудованию.

В любом случае повышенную длительность горения угля обеспечит в первую очередь оборудование под большую загрузку, — в бункер или непосредственно в топку. На этом соображении и строится выбор котла под уголь.

Какой уголь выбрать

Уголь залегает в земной коре в виде пластов. Каждый из них маркирован и имеет свои качественные характеристики. Но даже в одном пласте, но в разных районах, уголь может сильно отличаться по качеству – меняются степень метаморфизма, количество золы, летучие, сера, влажность…

Для энергетики наиболее ценны угли с высшей степенью метаморфизма, с наибольшим процентом углерода С в составе. Это Антрациты и близкие к ним, которым присвоены марки Полуантрациты и Тощие угли.

Лучшими для отопления окажутся угли, относящиеся к антрацитам и полуантрацитам с обогатительной фабрики, фракций орех и кулак.

По регионам добычи, — лучшие энергетические угли добывались ранее в Донбассе, но в последнее время добыча сильно уменьшена, и на рынке такие угли встретить сложно. Во всяком случае лучшими для домашнего отопления считались антрациты Донбасских пластов Н2 Ремовский, Н2-1 Подремовский, Н-8 Фоминской. Известен рекорд теплотворности килограмма угля, добытого в 70-е годы с пласта Фоминской со значением 9800 кВт/ч, — фактически чистый углерод…

Сейчас дешевле приобрести угли с Кузбаса и Экибастуза, несмотря на протяженную доставку. Нужно спрашивать угли с энергетических пластов Кузбасса.

В купленном угле должно быть минимальное количество:

• штыба, пыли, которые практически не сжигаются и плохо влияют на процесс горения, заштыбовывая котел, ограничивая доступ кислорода к крупным кускам;
• породы – куски породы в угле – это брак обогащения или специальный подмесс на разных стадиях торговли.

Продавца лучше сразу предупредить о том, что вы откажетесь приобрести уголь со штыбом и породой. Заказывайте уголь фракций орех и кулак малой порцией, на проверку, как правило продавец имеет запас на весь сезон, и можно будет докупить топливо в случае его хорошего качества.

Источник