Международное энергетическое агентство /International Energy Agency/ прогнозирует умеренный рост спроса на уголь в развитых странах и интенсивный рост спроса в развивающихся странах. Спрос на уголь может удвоиться к 2050 году, превысив 28 % мировых поставок энергоносителей. В то же время прямое сжигание угля ведет к существенному загрязнению атмосферы.
Решение проблемы, в том числе, сокращение выбросов парниковых газов к 2050 году до уровня рекомендуемого межправительственной группой экспертов по изменению климата, может быть достигнута использованием новых угольных технологий с низким уровнем выбросов. Одна из групп чистых технологий добычи и переработки угля – комбинированные циклы с внутренней газификацией угля/КЦВГ/.
Существуют различные схемы практического и технического воплощения КЦВГ, из которых максимальной термодинамической эффективностью обладает схема КЦВГ с твердооксидными топливными элементами /ТОТЭ/. Промышленные энергетические установки /ЭУ/, реализующие схемы КЦВГ с ТОТЭ, могут работать на твердом топливе и на природном газе. В угольных гибридных установках исходное топливо подвергается газификации с получением водорода или синтез газа, а в установках на природном газе – риформенту /паровой конверсии/ с получением тех же газов.
На рисунке представлена схема энергоустановки КВЦГ с ТОТЭ.
1 – установка разделения воздуха; 2 – газификатор; 3 – газоохладитель; 4 – котел-утилизатор; 5 – система очистки газа от соединений серы; 6 – ТОТЭ-ВД; 7 – турбодетандер; 8 -ТОТЭ-НД; 9 – компрессор; 10 – ТВД; 11 – ТНД; 12 – регенератор; 13 – цикл ПТУ с промежуточным перегревом пара
В состав установки входить газификатор, ТОТЭ, модули которого работают при двух разных давлениях, газотурбинная установка (ГТУ) с регенерацией и промежуточным подводом тепла и паротурбинная установка (ПТУ) с промежуточным перегревом пара. Модули ТОТЭ, работающие при высоком (ВД) и низком (НД) давлениях, замещают собственно камеру сгорания (КС) высокого и низкого давления.
Водоугольная суспензия и кислород из установки разделения воздуха направляются в газификатор угля. Продукты газификации (синтез-газ) и вода поступают в газоохладитель, в котором вырабатывается пар, перегреваемый далее в котле – утилизаторе. Охлаждённый синтез-газ очищается от соединений серы в системе очистки и разделяется затем на два потока. Один направляется в ТОТЭ высокого давления, другой – в турбодетандер, где происходит его расширение до давления в ТОТЭ низкого давления. Воздух, сжатый в компрессоре и подогретый сначала отработавшими газами турбины низкого давления (ТНД) в регенераторе, а затем выходящими из ТОТЭ-ВД газами, служит окислителем в ТОТЭ-ВД.
Газы, покидающие ТОТЭ-ВД, расширяются в турбине высокого давления (ТВД). Далее они используются в качестве окислителя в ТОТЭ-НД, куда подается дополнительное топливо. Образовавшиеся продукты сгорания служат рабочим телом ТНД. Отработавшие в ней газы поступают в регенератор и далее в котел-утилизатор. Пар из котла направляется в паровую турбину.
Ниже дана оценка затрат на промышленные энергетические установки КВЦГ с ТОТЭ, подготовленная МЭА для существующих и перспективных производственных технологий (таблица).
Оценка затрат на промышленные энергетические установки КВЦГ с ТОТЭ
|
Топливо и технология |
Стартовый год |
Инвестиционные расходы, $/кВт |
Эффективность, % |
Потери КПД, % |
Дополнительное топливо, % |
Эффективность улавливания, % |
Себестоимость улавливания, $/т СО2 |
Стоимость электроэнергии, цент/кВт?ч |
Себестоимость электроэнергии |
|
Уголь, КУВТ и ТОТЭ |
2035 |
2100 |
56 |
–4 |
7 |
100 |
37 |
6.00 |
3.75 |
|
Газ, КУ и ТОТЭ |
2030 |
1200 |
66 |
–4 |
6 |
100 |
54 |
5.38 |
3.75 |