Раздел 7. Перспективные технологии

Раздел 7. Перспективные технологии

7.1 Использование градирен для отведения дымовых газов

Градирни с естественной тягой могут использоваться для одновременного отведения тепла и удаления дымовых газов энергоустановок. Градирни могут использоваться только для отведения дымовых газов с низким содержанием твердых частиц и оксидов серы, в противном случае они будут подвергаться интенсивной эрозии и кислотной коррозии. Поэтому дымовые газы от сжигания золосодержащих и серосодержащих топлив должны быть предварительно очищены.

Образующиеся при сжигании топлива дымовые газы очищаются от золы и серы и по газоотводящему тракту поступают в газораспределитель, находящийся над водоуловителем внутри башенной испарительной градирни, и через направляющие сопла распределяются по башне градирни.

За счет большей температуры и скорости поступления дымовых газов по сравнению с паровоздушной смесью создается дополнительный эжекционный эффект в башне градирни. При этом объем и скорость воздуха, поступающего для охлаждения воды, значительно возрастает, что при всех равных прочих условиях позволяет увеличить глубину охлаждения. Кроме того, возрастает скорость парогазовоздушной смеси на выходе из градирни, что способствует увеличению высоты подъема факела и его более эффективному рассеиванию в атмосфере.

Организация совместного удаления паровоздушной (для испарительных градирен) или воздушной (для радиаторных градирен) смеси и дымовых газов позволяют получить определенные положительные эффекты:

- увеличить объемы поступления воздуха в градирню и повысить производительность градирни;

экономить энергию на подогрев дымовых газов после мокрой сероочистки. Температура дымовых газов после мокрой сероочистки составляет 45°С - 60°C;

- получить экономию капитальных затрат и площадей за счет отказа от сооружения дымовых труб.

Рисунок 7.1 - Схема совместного парогазоудаления на ТЭС

Для отведения дымовых газов могут применяться не только испарительные, но и воздушные радиаторные градирни с естественной тягой. При этом внутренняя площадь радиаторной градирни с естественной тягой может быть свободна и пригодна для размещения на ней установки сероочистки дымовых газов. Такое компоновочное решение обеспечивает экономию полезной площади, исключает расходы на строительство дымовых труб, а также исключает общестроительные затраты по установке десульфуризации дымовых газов.

Рисунок 7.2 - Сероулавливающая установка, построенная внутри сухой радиаторной градирни (градирни Геллера) с естественной тягой*(6)

7.2 Открытые гибридные системы охлаждения

Техническое описание

Открытые мокросухие или гибридные градирни применяются при необходимости снижения объемов безвозвратных потерь охлаждающей воды и уменьшения интенсивности парового факела. Эти градирни представляют собой комбинацию водной испарительной и воздушной радиаторной градирни. Гибридная градирня может эксплуатироваться как испарительная градирня или как комбинированная мокросухая градирня в зависимости от температуры окружающей среды.

Нагретая охлаждающая вода проходит сначала через сухое отделение градирни, где часть тепла циркуляционной воды передается воздушному потоку, который обычно создается вентилятором. После прохождения сухого отделения градирни вода дополнительно охлаждается в мокром отделении, которое функционирует также, как открытая испарительная градирня. Нагретый воздух из сухого отделения смешивается с паром из мокрого отделения в верхней части градирни, понижая, таким образом, относительную влажность воздуха перед его выпуском в атмосферу, что снижает вероятность образования парового факела над градирней.

Оптимизация воздействия гибридной градирни на окружающую среду осуществляется путем подбора доли сухой теплопередачи, чтобы удовлетворить требованиям к интенсивности парового факела при их наличии. В мокром отделении градирни отводится основная часть тепла.

Рисунок 7.3 - Принципиальная схема открытой гибридной градирни (пример применения в электроэнергетике):

1 Смесители сухого и влажного воздуха.

2 Шумопоглотитель.

3 Вентиляторы сухого режима.

4 Теплообменники сухого режима.

5 Водораспределительная система, ороситель для мокрого режима.

6 Вентиляторы мокрого режима.

7 Контур охлажденной воды для работы градирни в сухом режиме.

8 Основные циркуляционные насосы

9 Конденсаторы турбины.

10 Подача нагретой воды в градирню в мокром режиме ее работы.

11 Подача нагретой воды в градирню в сухом режиме ее работы.

12 Бустерные насосы градирни.

Характеристики открытых гибридных градирен:

- эксплуатация ПСО при полной и частичной нагрузке для любых мощностей;

- охлаждающим агентом может быть только вода;

- для большей части времени эксплуатации требуется подпиточная вода;

- тепловая эффективность такая же, как и у мокрых испарительных градирен;

- уменьшение объема подпиточной воды по сравнению с испарительными градирнями;

- уменьшение общей высоты (из-за вспомогательного вентилятора) и снижение интенсивности парового факела по сравнению с испарительными градирнями;

- может потребоваться установка низкошумного оборудования.

Для повышения эффективности гибридной градирни применяются:

- вентиляторы с переменной скоростью вращения;

- регулирующие устройства на воздухозаборе;

- арматура на трубопроводах подачи воды к мокрому и сухому отделениям;

- байпасные линии;

- бустерные насосы (для специальных конструкций);

- система смешения влажного и сухого воздуха.

Конструкция гибридной градирни

В настоящее время в гибридных градирнях применяется только принудительный тип тяги с использованием вентиляторов. Гибридная градирня отличается от обычной открытой мокрой градирни тем, что у нее есть сухое и мокрое отделения, каждое с собственной системой подачи воздуха и вентиляторами. Встречаются компактные гибридные градирни с дутьевыми вентиляторами или собранные из типовых ячеек с вытяжными вентиляторами. Ороситель, системы распределения воды, каплеуловители и шумоподавление применяются в обоих типах градирен. Мокросухие градирни с принудительной тягой оснащены внутренними системами смешивания потоков влажного и сухого воздуха.

Производительность охлаждения

Гибридные системы охлаждения могут иметь практическую любую производительность от менее 1 до 2500 МВт.

Экологические аспекты

Основное отличие гибридной градирни от испарительной - сравнительно более низкое водопотребление, объем подпиточной воды до 20% меньше, чем у мокрой градирни.

Суммарное годовое потребление энергии гибридной вентиляторной градирней может быть снижено до уровня в 1,1 - 1,5 раза ниже, чем для сопоставимой по производительности мокрой градирни с принудительной тягой, при этом расход воздуха почти вдвое превышает расход воздуха в испарительной вентиляторной градирне. Рассматриваются возможности строительства гибридных градирен с естественной тягой.

Область применения

Решение о применении гибридной градирни принимается при наличии местных требований по ограничению высоты сооружений и интенсивности парового факела. Известно несколько ПСО с гибридными градирнями, применяемых на электростанциях в Германии и Великобритании (в когенерационных установках). Их использование ограничено температурным интервалам 25°С - 55°C, потому что при температуре циркуляционной воды выше 55°С начинает более интенсивно происходить накипеобразование.

По сведениям U.S. Energy Information Administration (EIA, eia.gov/electricity/annual/xls/epa_09_03.xlsx) в 2014 году в США находились в эксплуатации 5 ПСО с гидридными градирнями, которые обслуживали энергогенерирующие установки электрической мощностью 1387 МВт (0,22% от суммарной установленной электрической мощности США).

Как правило, гибридные системы требуют более высоких инвестиционных затрат. Затраты на подавление парового факела изменяются в зависимости от применяемой системы охлаждения. В [9] приведены сведения о том, что при одинаковой эффективности охлаждения для ПСО производительностью 300 МВт(тепл) затраты на гибридную установку с подавлением парового факела приблизительно в 2,5 раза выше, чем на испарительную градирню. Дополнительные затраты должны быть скомпенсированы за счет снижения издержек на водоснабжение и повышения эксплуатационной маневренности. Ежегодные затраты на воду, включая ее обработку (обессоливание) и электроэнергию, могут в некоторых случаях могут составлять примерно 10% ежегодных эксплуатационных затрат на систему охлаждения.

7.3 Абсорбционные тепловые насосы

Абсорбционные бромисто-литиевые тепловые насосы (АБТН) применяются для утилизации низкопотенциального тепла, отводимого от технологического оборудования, вместо его сброса в окружающую среду. Применение АБТН позволяет предотвратить сброс низкопотенциального тепла от систем охлаждения в окружающую среду за счет повышения его температурного уровня и полезного использования для целей отопления, горячего водоснабжения, технологических целей.

Для работы АБТН необходим источник выкотемпературного тепла (используются пар, горячая вода, горячий газ), который используется для получения теплоты от низкотемпературного источника и повышения за счет этого температуры нагреваемой среды на 30°С - 60°С выше температуры низкотемпературного источника. Тепло на выходе из теплового насоса складывается из тепла, полученного от низкотемпературного источника, и тепла, полученного от высокотемпературного источника. Объем тепла на выходе АБТН всегда выше объема тепла, полученного от высокотемпературного источника. На 1  энергии, потребляемой от высокотемпературного источника, может быть получено около 1,7 - 1,8  тепла. АБТН может нагревать воду до 90°С - 10°С.

Рисунок 7.4 - Принципиальная схема использования низкопотенциального тепла с применением АБТН

Единичная выходная тепловая мощность современных АБТН составляет 1 - 60 МВт. Имеются примеры внедрения на ТЭС установок утилизации низкопотенциального тепла с суммарной установленной выходной тепловой мощностью до 310 МВт, оборудованных АБТН с единичной мощностью 20 - 40 МВт.

Пример использования АБТН на ТЭС (Китай): ТЭЦ в четырьмя турбинами по 330 МВт электрической мощности, осуществляла централизованное теплоснабжение жилья общей площадью 45 млн. . В связи с вводом нового жилого микрорайона возникла потребность в увеличении мощности теплоснабжения. Выполнена установка на объекте восьми АБТН тепловой мощностью по 39 МВт каждый с отбором низкопотенциального тепла от градирен. При сохранении объемов отбора пара от турбин получена дополнительная тепловая мощность 310 МВт. В результате реализации проекта за счет предотвращения сжигания 51 тыс. т/год угля получен природоохранный эффект в виде предотвращения выбросов парниковых газов 2132 т/год, сернистого ангидрида 286 т/год, оксидов азота 397 т/год, снижение потерь воды в ПСО 216 т/год.

Рисунок 7.5 - Пример применения АБТН на мусоросжигательной ТЭЦ*(7)

В качестве недостатков АБТН отмечают относительно невысокие параметры выходного тепла и уровень энергоэффективности, высокую металлоемкость и капитальные затраты. Экономическая эффективность их внедрения существенно зависит от уровня цен на отпускаемое тепло, продолжительности работы оборудования в течение года, стоимости используемого высокотемпературного тепла.

7.4 Безреагентный каталитический метод борьбы с биообрастаниями ПСО

Немецкая компания Aqua-Mol GmbH сообщает о создании перспективной технологии каталитической безреагентной борьбы с биообрастаниями в системах оборотного водоснабжения, охлаждения, горячего водоснабжения, водоподготовки, кондиционирования и т.п. aquaLIK. Применение технологии aquaLIK не требует введения никаких реагентов. Принцип ее работы основан на образовании комплекса -гидроксида на поверхности наноструктурированного кислородсодержащего сплава (Nano-structured Alloy - NOA) под действием видимого света. NOA представляет собой тончайшую фольгу из сплава Ni-Cr-Fe со специальным образом активизированной поверхностью, на которой происходит образование шиповидных структур, состоящих из -Fe(III) или -Fe(II) связей.

Ионы Fe(II) имеют на внешней электронной оболочке непарный электрон, поэтому они могут вступать в обратимые (т.е. без изменения заряда) реакции с другими непарными электронами, например, кислородом. Помимо шиповидных структур на поверхности, NOA-пленки имеют делокализированные d-электроны в основной металлической части. При взаимодействии воды с делокализированными d-электронами NOA-пленок образуется незначительное количество водорода.

Подобные связи активизируются под воздействием видимого света. Из ненасыщенных жирных кислот во внешней оболочке свободных бактерий и активированных групп гидроксильных радикалов образуются биотензиды, способные отделять существующий биослой (биопленку) во всей системе.

В состав оборудования входят ячейка с нерасходуемым катализатором (возможно исполнение в нержавеющем корпусе в зависимости от параметров системы) и реле управления таймером освещения. Место установки ячейки с катализатором определяется в зависимости от существующей технологической схемы. Монтаж оборудования может быть осуществлен силами предприятия без остановки технологического оборудования.

Основными преимуществами технологии aquaLIK перед существующими способами биоцидной обработки являются:

- снижение эксплуатационных затрат в сравнении с обработкой классическими методами (затраты на реагенты, их транспортировку и хранение). Нет необходимости в покупке дорогостоящих реагентов;

- снижение трудозатрат на обеспечение процесса подготовки и обработки воды;

- снижение негативного влияния на окружающую среду за счет полного исключения применения биоцидных реагентов.

Затраты на применение технологии включают практически только капитальные затраты на приобретение оборудования. Эксплуатационные затраты включают плату за электроэнергию для освещения катализатора. Потребляемая мощность составляет примерно 10 Вт при при продолжительности работы 10 - 12 ч/сут.

Сообщается об успешном применении технологии aquaLIK на угольной TЭЦKNG Rostock в Германии. Технология применена для обработки подпиточной воды (1500  ) для оборотной системы охлаждения с испарительными градирнями на морской воде (источник водоснабжения - Балтийское море). Есть положительные примеры внедрения данной безреагентной технологии на российских непромышленных объектах (система горячего водоснабжения, плавательный бассейн, система кондиционирования и др.).

Рисунок 7.6 - Модули с катализатором технологии aquaLIK (справа - в корпусном исполнении для системы горячего водоснабжения)