Elektrane Na Fosilna Goriva - Poglavlje 5

8/16/2019 Elektrane Na Fosilna Goriva - Poglavlje 5

1/32

73

5 ELEKTRANE NA FOSILNA GORIVA

5.1 UVOD

U odeljku 2 smo videli da termoelektrane na fosilna goriva troše 55,5% ukupne

svetske godišnje potrošnje fosilnih goriva, od kojih više od 80% uglja. Zbog toga sutermoelektrane na fosilna goriva najveći antropogeni emiter ugljendioksida i drugihštetnih gasova (SO2, NOx, produkti nepotpunog sagorevanja).

Kako su elektrane, iz ekonomskih razloga, veoma velika centralizovana postrojenja, koja isporučuju električnu snagu u opsegu od 500 do 1000 MW, mnogo senapora ulaže u povećanje njihove efikasnosti i smanjenje zagađenja, jer ove aktivnostimogu dovesti do značajne globalne redukcije emisije štetnih gasova i očuvanja svetskihrezervi fosilnih goriva.

Skoro sve termoelektrane na fosilna goriva rade na principu toplotnog motora saspoljašnjim ili unutrašnjim sagorevanjem, pretvarajući hemijsku energiju fosilnog goriva, prvo u mehanički rad (parne ili gasne turbine), a zatim u električnu energiju (Odeljci 3 i

4). Najveći broj termoelektrana koristi Rankine-ov ciklus, gde para, proizvedena u kotlu,zagrevanjem produktima sagorevanja, pokreće turbinu, koja pokreće električni generator.Uobičajeno u regionalnim mrežama, parne termoelektrane obezbeđuju bazno opterećenje,zajedno sa nuklearnim termoelektranama. Sa druge strane, vršno opterećenje se, uodređenom broju slučajeva, pokriva sa gasnim elektranama, koje rade po Brayton-ovomciklusu. U tim elektranama se sagoreva prirodni gas, čiji produkti sagorevanja direktno pokreću gasnu turbinu, koja pogoni električni generator.

Savremene parne termoelektrane mogu dostići termičku efikasnost iznad 40% (uSAD je prosečna vrednost 36%), dok je svetska prosečna vrednost oko 33%. Gasnetermoelektrane dostižu termičku efikasnost u opsegu 25-30%. Napredna postrojenjadanas koriste kombinaciju Brayton-ovog i Rankine-ovog ciklusa. Termoelektrane kojerade po kombinovanom ciklusu dostižu termičku efikasnost od oko 45%. Relativno niskaefikasnost termoelektrana je posledica dva faktora. Prvi je, ograničenje Drugim zakonomTermodinamike, koji proizvodnju rada u ciklusu uslovljava odbacivanjem određenekoličine toplote u okolinu, toplotnom ponoru, najčešće površinskoj vodi ili atmosferi preko rashladnih tornjeva. Drugi faktor se odnosi na neminovne toplotne gubitke, krozzidove, cevi, gubitke usled trenja i curenja produkata sagorevanja u atmosferu. Dakle,činjenica proizvodnje električne energije je da termoelektrane koriste samo 25-50%raspoložive hemijske energije goriva, pretvarajući je u struju. Ostatak se baca u reke iliatmosferu.

U ovom poglavlju objasnićemo funkcionisanje termoelektrana na fosilno gorivo,kao i njihovih sastavnih delova: skladištenje i priprema goriva, gorionik, kotao, turbina,kondenzator i generator. Obratićemo pažnju i na tehnologije za kontrolu zagađenja iemisije štetnih gasova, koje su sastavni delovi termoelektrana, zahtevane zakonima uvećini država. Takođe, dajemo pregled naprednih ciklusa termoelektrana, koji obećavajuviše termičke efikasnosti i redukciju zagađenja.


2/32

74

5.2 KOMPONENTE TERMOELEKTRANE NA FOSILNO GORIVO

U termoelektrani na fosilno gorivo, hemijska energija sadržana u gorivu se prvo pretvara u unutrašnju energiju (entalpiju) produkata sagorevanja, zatim se ta energija predaje radnom fluidu (parne elektrane), najčešće vodi i vodenoj pari, čija se energija

pretvara u mehanički rad na vratilu turbine. Na kraju se mehanički rad pretvara uelektričnu energiju u električnom generatoru.Osnovne komponente termoelektrane na fosilno gorivo su:

- Sistem za skladištenje i pripremu goriva- Gorionik - Kotao- Parna turbina- Gasna turbina- Kondenzator - Rashladna kula (toranj)

- Električni generator - Sistem za smanjenje emisije produkata sagorevanja

5.2.1 Sistem za skladištenje i pripremu goriva

Ugalj se termoelektranama isporučuje železnicom ili u slučaju obalskih postrojenja, brodom ili baržama. Uobičajeno je da menadžment elektrane na zalihamadrži rezerve uglja za nekoliko nedelja funkcionisanja, u slučaju mogućih problema saisporukom. Zato što termoelektrana snage 1000 MW ima termičku efikasnost od oko35%, potrošnja uglja se meri 10.000 tona po danu, a deponije uglja mogu sadržati i do300.000 tona uglja na zalihama. Neke termoelektrane na ugalj su izgrađene u blizinirudnika uglja (elektrane na izvorištu). Čak i ove elektrane skladište najmanje mesečnezalihe uglja na svojoj deponiji.

Kada se ugalj isporučuje železnicom, to se obično čini kompozicijom, koja sesastoji od stotinu vagona, svaki sa po 100 tona uglja. Vagoni se prazne rotacionimistovarivačem, a ugalj se trakastim transporterom raspoređuje na deponiji ili ide direktnou termoelektranu.

Ugalj se isporučuje elektrani već u granulaciji koja odgovara korišćenju mlinovaza mlevenje, u dimenzijama od nekoliko do 10 cm po grumenu. U SAD i mnogim drugimzemljama, ugalj se pere u rudnicima. Pranjem uglja se uklanja veliki deo mineralnogsadržaja (uključujući pirit sumpora), čime se redukuje sadržaj pepela i sumpora i povećava toplotna moć goriva. U pripremi za pranje, ugalj se u rudniku drobi na veličinuod 1 cm po grumenu.

Većina savremenih parnih elektrana sagoreva mleveni (sprašeni) ugalj. Siroviugalj se isporučuje na traci do mlinova za mlevenje. Ovakvi mlinovi su tipa rotirajućeg prstena, rotirajućeg čekića ili rotirajuće lopte. Mlinovi melju sirovi ugalj na granulacijumanju od 1 mm. Sprašeni ugalj se skladišti u velike vertikalne silose (bunkere), odakle seuduvava pneumatski u gorionik u iznosima, koje zahteva opterećenje, kotla i celokupnog

postrojenja.


3/32

75

U termoelektranama na teško ulje (mazut), gorivo je skladišteno u velikerezervoare (tank farme), do kojih se gorivo doprema, železnicom, vagonima cisternamaili tankerima i baržama, ako je termoelektrana locirana blizu plovne vode. Ovakveelektrane obično planiraju rezerve na mesec dana snabdevanja samo iz rezervoara. Za postrojenje snage 1000 MW, sa efikasnošću od 35%, ove količine iznose preko 100.000

tona teškog ulja. Ulje se nabavlja od rafinerija u stanju propisanog sadržaja sumpora,azota i pepela, kao i ostalih karakteristika važnih za proces sagorevanja, kakve suviskoznost i pritisak pare. Kako je tečno gorivo znatno skuplje od uglja, ovakvetermoelektrane se obično susreću tamo gde nema uglja, a ima dosta nafte, kao na Bliskomistoku.

U termoelektranama na gas, gorivo se isporučuje gasovodom na visokom pritisku(komprimovani prirodni gas, CNG). Neke od ovih elektrana koriste tečni prirodni gas(LNG). Tečni gas se transportuje u velikim (zapremina do 1,25e5 m3) rashladnimtankerima (na -164oC). Tečni prirodni gas se skladišti u rashlađene rezervoare donjegovog korišćenja.

5.2.2 Gorionik Uloga gorionika je da obezbedi kvalitetno mešanje goriva i vazduha, tako da

gorivo sagori u potpunosti. Paljenje se ostvaruje varnicom u mlazu lako zapaljivog goriva(najčešće lakog ulja ili mazuta) sve dok plamen ne postane samo održiv (pri saogrevanjuosnovnog goriva). U komori za sagorevanje čestice sprašenog uglja ili sitne kapljice ulja,sagorevaju u sekundi.

Čestice uglja ili kapljice ulja sagorevaju od spoljašnjosti ka središtu, ostavljajućiiza sebe nesagorljive mineralne materije, koje se nazivaju pepelom. U savremenimtermoelektranama sa sprašenim ugljem ili raspršenim uljem (mazutom), više od 90%mineralnih materija formira takozvani, leteći pepeo, koji se izbacuje iz kotla prinudnom(ređe prirodnom) promajom i kasnije prikuplja u specijalnim kolektorima. Oko 10%mineralnih materija pada na dno kotla, kao padajući pepeo. Ukoliko dno kotla ispunjenovodom, ovaj pepeo formira mulj, koji se uklanja protokom te vode, do prostora zaodlaganje. Deo letećeg pepela se taloži na ekranske cevi kotla. On formira naslage kojesprečavaju razmenu toplote. S vremena na vreme ove naslage je potrebno uklanjati,koncentrisanim mlazom pare ili mehanički, struganjem.

Ugalj sagoreva relativno sporo, ulje brže, a gas najbrže. Za potpuno sagorevanje potrebno je obezbediti višak vazduha. To je vazduh u količinama iznad stihiometrijskogiznosa, minimalno potrebnog za potpuno sagorevanje. Sprašeni ugalj zahteva 15%-30%(u uslovima otežanog sagorevanja i više) viška vazduha, dok ulje i gas zahtevaju 5-10%.

Šema tipičnog gorionika za sprašeni ugalj je prikazana na slici 5.1. Centralni vodnosi sprašeni ugalj iz silosa u struji primarnog vazduha. Klapnama ugrađenim u vodovesekundarnog vazduha, kontroliše se protok ovog vazduha, koji se meša sa primarnomsmešom, formirajući brzogoreći turbulentni plamen. Centralni vod gorionika je sklonkoroziji i propadanju, pa se obično menja jednom godišnje ili prema potrebi.


4/32

76

Slika 5.1 Gorionik za sagorevanje ugljene prašine

Gorionici su uobičajeno postavljeni u tačku, koja je praktično u liniji kotlovskihekranskih cevi. U takvom položaju, jedan zajednički turbulentni plamen se formira iz svačetiri gorionika u redu, omogućavajući brzo i potpuno sagorevanje goriva. U zavisnostiod snage kotla, može biti postavljeno čak šest redova (svaki sa po četiri pojedinačna)gorionika, što ukupno čini 24 gorionika.

Neke termoelektrane koriste ciklonske gorionike-ložišta, naročito za sagorevanjesiromašnijih ugljeva sa visokim sadržajem pepela. U ciklonskom gorioniku, sprašeniugalj se smešta u vodom hlađeni horizontalni cilindar, postavljen izvan zida od ekranskihcevi. Vreli produkti sagorevanja se prenose iz ciklonskog gorionika u glavno kotlovskoložište. Prednosti ciklonskog gorionika su što veći deo mineralnih materija formiraju

istopljeni pepeo, nazvan šljaka, koji se odvodi sa dna kotla, a samo njihov manji deo seformira u vidu letećeg pepela. Tada je moguće koristiti jeftinije kolektore pepela(sakupljače čestica) manjih dimenzija. Nedostatak ovih sistema su formiranje značajnihkoličina azotnih oksida (NOx), u uslovima visokih temperatura u ciklonskom gorioniku-ložištu. Danas, termoelektrane koje koriste ciklonska ložišta zahtevaju instalaciju zadenitrifikaciju produkata sagorevanja, smanjenje koncentracije azotnih oksida u dimnimgasovima (zakonske odredbe), što dobrim delom poništava ostvarene uštede korišćenjaovog sistema i niskokvalitetnih ugljeva.

Neke starije termoelektrane i manji industrijski kotlovi koriste rešetkasto ložište.U kotlovima sa rešetkastim ložištem, samleveni ugalj (ne sprašeni) se uvodi u kotao nanagnutoj, pokretnoj rešetki. Primarni vazduh se uduvava ispod, a sekundarni iznad

rešetke. Kako ugalj na pokretnoj rešetki prolazi kroz ložište kotla, on sagoreva, a pepeo propada u donji deo ložišta. Sagorevanje uglja na rešetki je manje efikasno nego uložištima sa sprašenim ugljem, pošto je na rešetki otežano kvalitetno mešanje uglja ivazduha. Zato kotlovi sa rešetkastim ložištem imaju manju termičku efikasnost u poređenju sa kotlovima sa sagorevanjem u letu (sagorevanjem sprašenog uglja).


5/32

77

5.2.3 Kotao

Kotao je centralna jedinica termoelektrane na fosilno gorivo. Većina savremenihkotlova sadrži ložište okruženo zidovima od vertikalnih ekranskih cevi, u kojima isparavavoda. Prvo vodeno ekransko (zidno) ložište konstruisao je George Babcock i Stephen

Wilcox, 1867. Godine. Rani kotlovi sa ekranskim ložištem su korišćeni u kombinaciji sa parnim klipnim motorima, kao na primer, u parnim lokomotivama. Sa razvojem parneturbine u dvadesetom veku, i njenim velikim zahtevima za protokom pare visokog pritiska, u potpunosti su razvijene konstrukcije kotlova sa vodenim ekranskim ložištima.U savremenim kotlovima ekransko zidno ložište je u potpunosti integrisano sa dodatnim prostorima i pregradama za dimne gasove.

Na slici 5.2 je prikazana šema klasičnog kotla sa ekranskim (zidnim) ložištem. Napojna voda visokog pritiska, koja je prethodno zagrejana u predgrejaču (i degazatoru)na temperaturu od 230-260oC, šalje se na naknadno zagrevanje u zagrejač napojne vode,ekonomajzer, do temperature od 315oC, a potom u doboš kotla (rezervoar u kome suključala voda i suvozasićena para u ravnoteži), koji je uobičajeno postavljen na vrhu

kotlovske konstrukcije. Doboš kotla je cilindar tipično dugačak 30 m, prečnika 5 m. Udobošu kotla ključala voda je razdvojena od suvozasićene pare, (najčešće) gravitacijom.

Slika 5.2 Šema kotla sa ekranskim ložištem i višestepenim pregrevanjem pare


6/32

78

Sa donjeg dela doboša kotla, ključala voda se šalje spusnim cevima u razdelnik. Izrazdelnika ključala voda pod pritiskom, pogonjena razlikom gustina (gravitacionostrujanje), struji kroz usponske cevi, koje okružuju ložište, nazad u doboš, pri tomerazmenjujući toplotu sa dimnim gasovima (kroz cevi) i ključajući. Izdvojenasuvozasićena para na pritisku istom, visokom pritisku ključanja se uzima sa gornje strane

doboša kotla i šalje na izobarsko zagrevanje u pregrejač pare, gde se na pritisku od 240 bar zagreva na temperaturu od 565oC. Ovaj pritisak i temperatura su viši od kritičnih parametara vode (Tc=374

oC i pc=220 bar). Para na superkritičnim parametrima pogoniturbinu visokog pritiska. Izlazna para iz turbine visokog pritiska se ponovno zagreva natemperaturu iznad 500oC, u pregrejaču II (sastavnom delu kotla), sada na znatno nižem pritisku od 37 bar.

Ova para pogoni turbinu niskog pritiska. Pregrejač pare I i II, kao kotlovskesekcije, su uobičajeno smeštene na gornjem prevoju kotlovske konstrukcije, nazvane vratkotla. Kako bi se podigla termička efikasnost procesa u kotlu, svež vazduh potreban zasagorevanje, se zagreva na temperaturu od 250-300oC, u delu kotla koji se nazivazagrejač vazduha. U blizini gorionika, u zoni plamena, toplota dimnih gasova se prenosi

na cevi, uglavnom zračenjem. Dalje od gorionika, razmena toplote sa dimnih gasova seobavlja uglavnom konvekcijom. Plamen uglja i mazuta je veoma svetao (veoma primetanu vidljivom delu spektra) zbog prisustva zračećih čestica gorućeg ugljenika i pepela.Plamen prirodnog gasa je slabije vidljiv, zbog odsutnosti čvrstih čestica u plamenu(troatomni gasovi u plamenu zrače samo pojedine talasne dužine spektra, za razliku odčvrstih čestica). Međutim, veći deo razmene toplote zračenjem, u slučaju sve tri vrste plamena, se obavlja u nevidljivom, infracrvenom delu spektra. Teoretska (Carnot-ova)termodinamička efikasnost toplotne mašine, koja radi između temperature toplotnogizvora od 838 K (565oC) i temperature toplotnog ponora od 298 K (25oC), to jest izmeđutemperature pregrejača pare i temperature kondenzacije u kondenzatoru, iznosi η=1-T p/Ti=64%. Međutim, kako je već rečeno, tipične efikasnosti termoelektrana su u ranguod 33 do 40%. Kako se toplota dovodi vodi i pari na svim temperaturama između ovihvrednosti, efikasnost Rankine-ovog ciklusa je neminovno niža nego ona Carnot-ovog.Osim toga, postoje gubici efikasnosti usled gubitaka toplote kroz zidove kotla, kućišta ilopatica turbine, usled trenja, usled nesavršenosti procesa sagorevanja).

5.2.4 Parna turbina

Parne turbine su bile prvo razvijene u termoelektranama, početkom dvadesetogveka. One mogu prihvatiti značajno veće protoke pare, pritiske i temperature i značajnoveće obrtne brzine (brojeve obrtaja), nego odgovarajuće klipne mašine. Danas, praktičnosve parne termoelektrane u svetu, koriste parne turbine. Parna turbina je verovatnonajsloženija mašina u elektrani, a možda i u celoj industriji. Mali je spisak proizvođača usvetu, koji mogu proizvoditi parne (i gasne) turbine.

Prethodnica parne turbine je vodeni točak. Baš kako voda potiskuje lopaticevodeničnog kola, tako para potiskuje lopatice parne turbine. S obzirom na visok pritisak itemperaturu pare, koja zahteva od oklopa turbine otpornost, kao i nepropusnost oklopa,na ogromne centrifugalne napone na vratilu, na činjenicu da se para kondenzuje u tečnostdok ekspandira u turbini, formirajući dvofazno strujanje, može se stvoriti predstava osloženosti problema sa kojim se suočava konstruktor i proizvođač parnih turbina.


7/32

79

Razvoj savremenih parnih turbina se može pripisati Gustav-u de Laval-u(Švedska, 1845-1913) i Charles-u Parsons-u (Engleska, 1854-1931). Laval je radio narazvoju impulsne turbine, koja koristi konvergentno-divergentne mlaznice (Laval-ovemlaznice) radi ubrzanja protoka pare do supersoničnih brzina. Parsons je razviovišestepenu reakcionu turbinu. Prva komercijalna primena je bila za pogon brodova u

poslednjoj dekadi devetnaestog veka. Prva parna turbina za proizvodnju električneenergije, snage 12 MW instalirana je u Fisk termoelektrani u Čikagu (SAD), 1909.godine. Parna turbina snage 208 MW je instalirana u termoelektrani u Njujorku, 1929.godine.

5.2.4.1 Impulsna turbina

U impulsnoj turbini, mlaz pare se usmerava na lopatice turbine. Lopatice susimetrične i imaju jednak ulazni i izlazni ugao, najčešće od 20o. Para dolazi iz pregrejača,uobičajeno na temperaturi od 565oC i pritisku preko 200 bar, kada ekspandira kroz Laval-ove mlaznice, imaće linearnu brzinu od oko 1650 m/s. Da bi se iskoristila ukupna

kinetička energija pare, brzina lopatice treba da bude oko 820 m/s. Takva brzina možeizazvati neizdrživ napon na rotoru. Za redukovanje brzine rotora, turbine koristeusložavanje ili stepenovanje. U višestepenoj turbini, dva ili više redova pokretnih lopatica(rotor) su razdvojeni redovima nepokretnih lopatica (stator), kao na slici 5.3a. Svaki par statorskih i rotorskih lopatica se zove stepen. Kada se kinetička energija pare podeliizmeđu n stepeni, linearna brzina lopatice rotora će biti 1/2n u odnosu na jednostepenirotor.

Sila koja se javlja na lopatici turbine je F=ms(ws-w b), gde su: ms maseni protok pare kroz lopaticu (kg/s), ws tangencijalna brzina mlaza pare (m/s) i w b brzina lopatice.Mehanička snaga generisana na lopatici je P=Fw b (W). Može se pokazati da semaksimalna snaga dostiže za w b=ws/2 i jednaka je Pmax=msws

2/4.

Slika 5.3 Šema (a) impulsne (b) reakcione turbine


8/32

80

5.2.4.2 Reakciona turbina

Reakciona turbina sadrži redove fiksnih (stator) i pokretnih (rotor) lopatica.Lopatice su formirane tako da formiraju konvergentnu mlaznicu (Slika 5.3b). Izmeđukonvergentnih lopatica, pritisak, gustina i temperatura pare opadaju dok se njena entalpija

pretvara u kinetičku energiju. Pritisak pare opada postepeno kroz sve redove lopatica,fiksnih i pokretnih, dok brzina pare oscilira, zavisno od pozicije između lopatica. Ureakcionoj turbini optimalna brzina lopatice je w b,opt=wscosθ, gde je θ izlazni ugaolopatice, a maksimalna snaga se dobija kao Pmax=msw b

2.U reakcionoj turbini pritisak opada duž pokretnih lopatica. To je čini manje

pogodnom za paru visokog pritiska zbog curenja oko lopatice i samim tim smanjeneefikasnosti. Dakle, impulsne turbine se uobičajeno koriste za paru visokog pritiska , areakcione trubine za paru srednjeg i niskog pritiska. Pored toga, visokopritisni stepenimpulsne turbine može redukovati protok kroz turbinu, zatvaranjem neke od mlaznica prvog stepena turbine. Ovakva kontrola protoka izostaje u stepenima reakcione turbine. Na slici 3.4 prikazana je fotografija višestepene parne turbine snage 1500 MW, sa

stepenima visokog, srednjeg i niskog pritiska.U obe, impulsnoj i reakcionoj turbini, gubici efikasnosti su uzrokovani prezasićenjem, trenjem fluida, curenjem i toplotnim gubicima. Prezasićenje se javlja prvenstveno u reakcionim turbinama, kada prema termodinamičkoj ravnoteži, u procesuekspanzije, para treba da se kondenzuje, oslobađajući latentnu toplotu kondenzacije.Umesto toga para neko vreme ostaje u pothlađenom stanju, pre nego što se vrati stanjutermodinamičke ravnoteže (kondenzuje se). To dovodi do naglog oslobađanja toplotekondenzacije, što je poznato kao kondenzacioni šok. To je nepovratan proces i izazivagubitak efikasnosti i dostupnosti energije. Trenje fluida se javlja svuda duž turbine, u parnim mlaznicama, duž lopatica i duž diska rotora, koji nosi lopatice. Pored toga,okretanje rotora i lopatica deluje centrifugalnom silom na paru, uzrokujući njeno povlačenje duž lopatica. Kada lopatice nisu pravilno konstruisane, može nastatirazdvajanje protoka, što uvećava gubitke u turbini.

Gubici prenosom toplote su uzrokovani kondukcijom, konvekcijom i zračenjem.Kondukcija uzrokuje razmenu toplote u čvrstim, metalnim delovima turbine. Konvekcijase odvija između pare i metalnih delova trubine, dok se zračenjem odaje toplota sa oklopaturbine u okolinu (konvekcijom, takođe). Razumljivo, toplotni gubici su najveći udelovima turbine na visokim temperaturama i pritiscima.

Pored toga, postoje gubici trenjem u ležajevima, u upravljačkom mehanizmu, ureduktoru. Takođe, turbina mora snabdevati pogonskom energijom, prateću opremu,kakve su uljne pumpe. Kombinovani gubici efikasnosti i napajanje dodatne opremeiznose 10-20%, tako da turbina pretvara 80-90% raspoložive entalpije pare u mehaničkirad, koji pogoni generator.

5.2.5 Gasna turbina

U gasnoj termoelektrani, gde se kao gorivo koristi ulje, prirodni gas ili sintetičkigas, vreli produkti sagorevanja direktno pokreću gasnu turbinu, za razliku od posrednog prenošenja toplote na paru, koja pokreće parnu turbinu. Ovaj pristup zahteva drugačijukonstrukciju turbine, prilagođenu znatno višim temperaturama dimnih gasova i njihovim


9/32

81

različitim termodinamičkim karakteristikama, u odnosu na vodenu paru. Gasne turbine selako dovode u operativno stanje i nisu osetljive na promene opterećenja. Međutim,efikasnost gasnog ciklusa (Brayton-ovog) je manja od parnog, a primenjeno gorivo jeskuplje. Zato se gasne turbine koriste uglavnom za vršna proizvodna opterećenja i zahitna stanja, u slučaju ispada neke od elektrana. Ipak, u poslednje vreme, mnogo gasnih

termoelektrana na prirodni gas je instalirano u SAD i drugim zemljama. Ova postrojenjasu obično izrađena kao kombinovana (gasna i parna turbina), što im povećava efikasnostu odnosu na osnovni gasni ciklus. Gasne turbine rade na principu Brayton-ovog ciklusa,koji je opisan u odeljku 3. Komprimovani vazduh se uvodi u komoru za sagorevanje, gdese ubrizgava tečno ili gasovito gorivo. Sagorevanjem goriva podiže se temperatura produkata, koji pogone sistem turbina-kompresor, proizvodeći neto mehanički rad.Temperatura produkata sagorevanja je reda 1100-1200oC, što predstavlja maksimalnodozvoljeno termičko opterećenje, u odnosu na sadašnje materijale (visokolegiranečelike), od kojih se izrađuju lopatice turbine. Međutim i na ovim temperaturama, termičkinaponi i problemi pojave korozije predstavljaju problem, pa je potrebno hladiti lopaticeturbina, spolja ili iznutra, vazduhom ili vodom.

Gasne turbine su reakcionog tipa, gde lopatice formiraju konvergentni mlaznik ukome dimni gasovi ekspandiraju i na taj način pretvaraju svoju entalpiju u kinetičkuenergiju. Kao i u parnim turbinama, primenjuje se više stepena turbine, sastavljenih odredova pokretnih i fiksnih lopatica.

Radni fluid u gasnim turbinama, sastavljen od azota, viška kiseonika, vodene parei ugljendioksida se ne vraća, kao u zatvorenom ciklusu ponovo u kompresor, već se poizlasku iz turbine izbacuje u atmosferu (otvoreni ciklus). U nekim sistemima, deoenergije izduvnih gasova se koristi u regenerativnim razmenjivačima toplote zazagrevanje komprimovanog vazduha, pre ulaska u komoru za sagorevanje, da bi se podigla termička efikasnost Brayton-ovog ciklusa. I u ovom slučaju, po izlasku izregeneratora, dimni gasovi se izbacuju u atmosferu. Ovo je razlika u odnosu na parneturbine, gde se radni fluid, para, kondenzuje i vraća u kotao na ponovno ključanje(zatvoren ciklus).

5.2.6 Kondenzator

U ciklusima toplotnih mašina, posle dobijanja mehaničkog rada, određenakoličina energije radnog fluida, u vidu toplote se mora odvesti toplotnom ponoru. Parneturbine termoelektrana rade na principu toplotnih motora. One moraju odvesti (odbaciti)značajnu količinu toplote u okolinu. Ta odbačena toplota predstavlja 1,5 do 3 puta većiiznos, nego što se dobija rada u vidu električne energije. Parna termoelektrana snage1000 MW radeći pri termičkoj efikasnosti od 25%, odbacuje 3000 MW toplote u okolinu,a ukoliko radi pri 40% efikasnosti, odbacuje 1500 MW toplote u okolinu. Deo toplotekoja se odvodi u okolinu je posledica kondenzacije pare u ciklusu (Rankine-ov ciklus), aostatak se odvodi u vidu entalpije dimnih gasova na izlazu iz postrojenja (dimnjaka).

U Rankine-ovom ciklusu, posle ekspanzije u turbini, izrađena para se prvokondenzuje u kondenzatoru, a zatim se napojnom pumpom šalje nazad u kotao. Toplotarashladna voda, koja se koristi u kondenzatoru, se odvodi u atmosferu preko rashladnihkula ili u obližnje vodotokove. Kondenzator služi ne samo da kondenzuje paru, radi ponovnog slanja u kotao, već da smanji pritisak kondenzacije pare na izlazu iz turbine.


10/32

82

Smanjenjem pritiska pare na izlasku iz turbine, povećava se snaga turbine i efikasnostciklusa.

Slika 5.4 (a) Kondenzator sa mešanjem (b) rekuperativni kondenzator

Postoje dva tipa kondenzatora: kondenzator sa mešanjem i rekuperativnikondenzator. Kondenzator sa mešanjem je prikazan na slici 5.4a. Izrađena para iz turbine prolazi niz mlaznica, kroz koje se raspršuje rashlađena kotlovska voda, koja u direktnomkontaktu kondenzuje paru. Dobijeni topli kondenzat se delom pumpa kroz suvu rashladnukulu (ostatak se šalje u kotao), gde podižući vazduh hladi kondenzat u cevima. Ohlađenikondenzat (kotlovska voda) se ponovo šalje u kondenzator. Zato što je voda u direktnomkontaktu sa parom, čistoća i kvalitet rashladne vode mora biti u nivou kotlovske vode(odsustvo minerala i rastvorenog kiseonika). Ovi uslovi čine proces skupljim, pa najveći

broj termoelektrana koristi rekuperativni kondenzator, prikazan na slici 5.4b. To je usuštini omotač-cev tip razmenjivača toplote. Izrađena para iz turbine prolazi snop cevi,kroz koje struji rashladna voda. Kako velike termoelektrane imaju potrebu da kondenzujuznatne količine vodene pare, aktivna površina razmene toplote može dostići 100.000 m2

za postrojenje snage 1000 MW. Konstrukcija dobrog kondenzatora podrazumevakomplikovane proračune koeficijenata prelaza toplote. Najčešće, cevi su spolja orebrene,kako bi se povećala površina razmene toplote. Dolazeća para u kondenzator mora bitideaerizovana (oslobođena rastvorenih gasova, uglavnom vazduha) od vazduha koji može prodreti u sistem (koji je na nižem pritisku od atmosferskog). Razlog je kiseonik kojiizaziva unutrašnju koroziju. Takođe, rastvoreni gasovi u kondenzatu mogu uvećati pritisak u kondenzatoru i tako umanjiti snagu turbine.

5.2.7 Rashladna kula

Količina toplote koja se odbacuje u parnom ciklusu šalje se ili u površinsku voduili u atmosferu. U prošlosti većina termoelektrana je bila locirana u blizini reka, jezera iliokeana. U ovim postrojenjima, topla voda iz kondenzatora je direktno izbacivana u površinsku vodu, direktno preko difuzora ili indirektno kroz kanale, koji vode do nje.Izbacivanje velikih količina tople vode u okolnu površinsku vodu izaziva termičko


11/32

83

zagađenje vode, koje šteti vodenim organizmima (smanjena količina kiseonika u vodi).Takođe, zagađivači koje nosi rashladna voda iz cevi i kanala mogu narušiti kvalitet površinske vode. Kao posledica zaštite životne sredine, vlade mnogih zemalja, zakonimasu preusmerile to odbacivanje toplote prema atmosferi, kroz rashladne kule.

Postoje dva osnovna tipa rashladnih kula (tornjeva): vlažni i suvi. Takođe. Postoje

kombinacije vlažnih i suvih kula, kao i kombinacije rashladnih kula i hlađenja površinskom vodom.

5.2.7.1 Vlažna rashladna kula

U vlažnoj rashladnoj kuli, topao kondenzat ili rashladna voda se hladi površinskim isparavanjem njenog dela u atmosferu. Isparenu vodu sa sobom odnosivazduh, koji u rashladnoj kuli struji naviše, odnoseći sa parom i latentnu toplotuisparavanja (čije oduzimanje snižava temperaturu vode). Rashladne kule su lako primetne, kao ogromne betonske konstrukcije, nalik na veliki kalem, postavljene u blizinifosilnih ili nuklearnih termoelektrana. Konvergentno-divergentni (kalem) oblik rashladne

kule je posledica konstrukcije koja zahteva manje betona i otpornija je na delovanje jakihvetrova.

Slika 5.5 Šema vlažne rashladne kule

Tipični izgled vlažne rashladne kule sa prirodnom promajom je prikazan na slici5.5. Topla voda iz kondenzatora se raspršuje preko gusto isprepletanih letvi ili šipki, čija


12/32

84

se celina naziva punjenje ili pakovanje. Spoljašnji vazduh struji kroz žaluzine, na dnurashladne kule, prirodnom promajom (dimnjački efekat). Toplota se razmenjuje izmeđuvazduha i vode direktno, konvekcijom i što je još značajnije isparavanjem dela vode u punjenju i odnošenjem latentne toplote isparavanja. Rashlađena voda pada gravitacijom ukolektorski bazen, odakle se šalje u kondenzator. Eliminator kapljica je postavljen iznad

punjenja. Ipak, magla se obično formira iznad kule, posebno u hladnim vremenskimuslovima. Ovaj beli stub vodene pare se od neupućenih, često shvata kao zagađenje, ustvari radi se o mešavini vodene pare, kapljica vode ili kristala leda.

Termoelektrana snage 1000 MW, koja radi pri 33% efikasnosti, u toplimklimatskim uslovima, isparava 0,63 m3/s vode, što je 1,3% od vode koja recirkuliše usistemu. U hladnim klimatskim uslovima, isto postrojenje bi isparavalo samo 1%recirkulacione vode. Ovaj iznos od 2e7 ili 1,5e7 m3/god., termoelektrana moranadoknaditi iz površinske vode ili vode iz komunalnog sistema, u toplim ili hladnimklimatskim uslovima, respektivno.

5.2.7.2 Suva rashladna kula

U suvoj rashladnoj kuli, recirkulaciona voda struji kroz orebrene cevi, preko kojihstruji spoljašnji vazduh. U suvoj kuli sva odvedena toplota ide u atmosferu. Prednostiovog sistema su što nema vode koja isparava i suva kula je jeftinija za održavanje. Nedostaci su veći investicioni troškovi i veći izlazni pritisak iz turbine, koji uzrokujesnižavanje efikasnosti postrojenja. Ipak, u sušnim regionima, gde nema raspoložive vode,suve rashladne kule su logično rešenje.

5.2.8 Generator

Generator je srce elektrane. To je uređaj u kome se stvara električna energija. U poređenju sa kotlom, turbinom, kondenzatorom, rashladnom kulom, pratećom opremom,generator zauzima mali deo ukupnih troškova termoelektrane. Njegov nivo buke jetakođe zanemarljiv u odnosu na brujanje mlinova, gorionika, pumpi, ventilatora i turbina.

Elektromagnetna teorija generatora je opisana u odeljku 4. Ukratko, vratiloturbine rotira provodne kalemove u magnetnom polju. To indukuje električnu energiju,koja struji kalemovima. Izlazna električna snaga generatora je jednaka ulaznojmehaničkoj snazi vratila, umanjeno za male gubitke usled električnog otpora kalemova imehaničkog trenja pokretnih delova (ležajeva). Da bi se izbeglo pregrevanje generatora,uzrokovano pomenutim pojavama, generatori se hlade sa gasovima visoke toplotne provodljivosti, kao što su vodonik ili helijum.

Generator proizvodi naizmeničnu struju (AC) od 60 Hz u SAD i Kanadi i 50 Hz uvećini ostalih zemalja. Vratilo turbine se mora okretati konstantnom i preciznom brzinom, da bi se ostvarila tačno željena frekvencija naizmenične struje. Napon dobijenna generatoru se povećava u transformatorima, a zatim šalje u mrežu. Kako su gubicielektričnim otporom proporcionalni kvadratu struje, a linearno naponu, da bi seredukovali pomenuti gubici, poželjno je da se električna energija transportuje pri niskimstrujama i visokim naponima. Dugački dalekovodi uobičajeno rade sa naponima redanekoliko stotina kilovata. Za krajnje potrošače, napon se redukuje transformatorima navrednosti od 110 V (SAD) ili 220 V (Evropa).


13/32

85

5.2.9 Kontrola emisije zagađivača

Ukoliko termoelektrana radi bez kontrole i ograničenja, ona može emitovatikoličine zagađivača vazduha, koje mnogostruko prevazilaze standarde emisije, doneseneu vidu zakonskih normi, donesenih da bi se zaštitila životna sredina. Pretpostavimo da

termoelektrana snage 1000 MW sagoreva ugalj sa 10% mineralnih materija (pepeo) i 2%sumpora (uobičajene vrednosti). Usvaja se rad termoelektrane na 100% kapaciteta i 35%termičke efikasnosti. Korišćeni ugalj ima donju toplotnu moć od 28 MJ/kg. Sav pepeo seemituje kroz dimnjak kao leteći i sav sumpor sagoreva kao SO2. Pod definisanimuslovima, ova termoelektrana bi, bez kontrole i ograničenja emisije, emitovala uatmosferu 3,2e5 t/god. pepela i 1,3e5 t/god. SO2. Pored toga, termoelektrana bi emitovalaznačajne količine oksida azota, produkte nepotpunog sagorevanja (PIC), kao CO iisparljive tragove metala. Jasno je da bi ovakva termoelektrana predstavljala veliki rizik za zdravlje ljudi i životnu sredinu. Zbog toga su mnoge zemlje, zakonima iz oblastizaštite životne sredine, ograničile emisiju zagađivača i obavezale ovakva postrojenja nakontrolu emisije, ugradnjom različitih uređaja. Ovi uređaji učestvuju značajno u

investicionim i tekućim troškovima termoelektrane i redukuju za nekoliko procenatatermičku efikasnost, pošto prave dodatne otpore transportu dimnih gasova kroz postrojenje. Ovi troškovi se prenose na korisnike kao uvećana cena električne energije.Uređaji za smanjenje emisije takođe proizvode otpadne tokove, pošto se neemitovanizagađivači u atmosferi, pojavljuju u vidu tečnog ili čvrstog otpada.

5.2.9.1 Kontrola nastajanje produkata nepotpunog sagorevanja (CO, …)

Kontrola nastajanja produkata nepotpunog sagorevanja, prvenstvenougljenmonoksida (CO) je relativno laka za realizaciju. Ukoliko su gorivo i vazduhkvalitetno izmešani, kao što je to slučaj u savremenim gorionicima i sistemima za pripremu goriva i ako se sagorevanje odvija pri višku vazduha, produkti sagorevanja ćesadržati veoma niske koncentracije CO i ostalih PIC. Ovo je svakako i u ekonomskominteresu termoelektrane, da se u potpunosti iskoristi toplotna moć goriva i podignetermička efikasnost postrojenja. Produkti nepotpunog sagorevanja se javljaju povremeno,naročito tokom startovanja kotlova ili ispada pojedinih komponenti, kada temperatura plamena i mešavine goriva i vazduha nije optimalna. Pod ovakvim okolnostima, vidljiv jecrni dim koji izlazi iz dimnjaka postrojenja. Najčešće ove okolnosti su retke i ne bitrebalo da značajno utiču na koncentraciju ovih zagađivača u atmosferi.

5.2.9.2 Kontrola emisije čestica

Čestice ili čestična materija (PM) mogu biti dominantan zagađivač iztermoelektrana, gde njihova emisija nije kontrolisana na samom izvoru. Ovo proizilazi izčinjenice da ugalj, čak i nafta sadrže značajan procenat po masi, nesagorivih mineralnihmaterija. U starijim termoelektranama sa sagorevanjem na rešetki ili u ciklonskimgorionicima, mineralne materije se akumuliraju na dnu kotla, u vidu šljake i uklanjaju sekao čvrsti otpad ili vodom, kao mulj. U savremenim termoelektranama sa sagorevanjemsprašenog uglja, najveći deo mineralnih materija (oko 90%) se istiskuje iz kotla kao leteći pepeo. Leteći pepeo sadrži mnoštvo toksičnih metala, kao što su arsen, selen, kadmijum,


14/32

86

mangan, hrom, olovo i živu, zatim sadrži nepromenljive organske materije (čađ),uključujući policiklične aromatične ugljovodonike (PAHs). Sve ove materije predstavljaju opasnost po zdravlje ljudi i životnu sredinu, ukoliko se emituju u atmosferu.Iz ovih razloga, mnoge zemlje su usvojile veoma stroga ograničenje emisije pepela iztermoelektrana.

U SAD, termoelektrane sagrađene između 1970. I 1978. godine su morale daispune standarde za PM emisiju od 0,013 kg/GJ oslobođene toplote. Za termoelektranesagrađene posle 1978. godine, nema definisanog numeričkog standarda, već standardanazvanog Najbolja dostupna tehnologija kontrole (BACT), koja trenutno zatermoelektrane predviđa obaveznu upotrebu elektrostatičkog filtra (odeljak 9.2.1).

Elektrostatički filter (ESP). Ovaj uređaj je osmišljen prvi put početkomdevetnaestog veka, od strane F.G.Cottrell-a sa Univerziteta Berkeley (Kalifornija), da bise prikupljale kapljice kiseline u fabrici sumporne kiseline. Vrlo brzo, izum je bio primenjen za prikupljanje prašine u cementnim pećima, topionicama olova, pri proizvodnji katrana, papira i celuloze, kao i u drugim proizvodnjama. Počev od 1930. i

1940. godine ESP je primenjen u termoelektranama na ugalj. Rana instalacijaelektrostatičkih filtra je prethodila ekološkim propisima. Oni su bili instalirani da bi sezaštitili vlasnici fabrika od moguće tužbe za narušavanje zdravlja radnika, emisijomčestica.

Slika 5.6 Šematski prikaz funkcionisanja elektrostatičkog filtra

Elektrostatički filter radi na principu negativnog naelektrisanja čestica, koje se postiže električnim pražnjenjem i privlačenjem istih na uzemljenu ploču. Šematski prikazfunkcionisanja ESP-a je dat na slici 5.6. Nekoliko žica za pražnjenje je postavljenoizmeđu paralelnih ploča. Visoki negativni napon, reda 20 do 100 kV je doveden na žice.Stvara se električno polje između žica i ploča, duž koga elektroni putuju od žica do ploča.


15/32

87

Ova pojava se naziva korona pražnjenje. Elektroni se sudaraju sa molekulima gasa, presvega sa kiseonikom, stvarajući negativne jone. Stvoreni joni putuju duž linijaelektričnog polja, sudaraju se sa česticama pepela (prašine), prenoseći im negativnonaelektrisanje. Sada čestice bivaju privučene uzemljenim pločama, gde se njihovonaelektrisanje neutralizuje. Neutralne čestice pepela se stresaju sa ploča, periodičnim

udarcima u ploče. Čestice potom padaju u levak, odakle se kolicima transportuju iuklanjaju.Efikasnost prikupljanja čestica u ESP-u zavisi od mnogo faktora, pre svega od

prečnika čestica (manji prečnici, manja efikasnost), površine ploče, zapreminskog protoka gasa, koji prolazi između ploča, kao i brzine kretanja (migracije) čestica prema pločama. Efikasnost ESP-a se izračunava prema Deutsch-ovoj jednačini:

QwAe /1 --=h , (5.1)

gde su w brzina migracije čestica prema pločama, A ukupna površina ploča i Qzapreminski protok gasa. Brzina migracije čestica je približno jednaka w≈0,05d p (m/s),

gde je d p prečnik čestice u μm. Zapravo, brzina migracije je funkcija napona i električneotpornosti čestica. Zanimljivo je da viši sadržaj sumpora u uglju daje nižu otpornostletećeg pepela i veće brzine migracije. Međutim, veći sadržaj sumpora u uglju daje većuemisiju sumpornih oksida, koji su veoma štetni.

Slika 5.7 Zavisnost efikasnosti elektrostatičkog filtra u zavisnosti od prečnika čestica


16/32

88

Na primer, uzmimo termoelektranu, snage 1000 MW, koja sagoreva ugalj,toplotne moći 27,9 MJ/kg, sa termičkom efikasnošću do 36%. Ovo postrojenje bi trošilo99,6 kg/s uglja. Usvajajući sastav sagorljivog dela goriva i višak vazduha od 20%,sagorevanjem bi se dobilo Q=1260 m3/s dimnih gasova. Ako se čestice prečnika 1 μm prikupljaju u ESP-u sa efikasnošću od 95%, potrebna površina ploča je 75.500 m2. Svaka

ploča ima dimenzije 20x5m, a kako obe strane ploče prikupljaju čestice, biće potrebno377 ovakvih ploča. Slika 5.7 daje promenu efikasnosti ESP-a u zavisnosti od prečnikačestica, za podatke navedene u ovom pasusu. Vidi se da za čestice prečnika većeg od 1μm, efikasnost filtera se približava vrednosti od 100%, dok se čestice ispod ovedimenzije, praktično i ne prikupljaju.

Skica velikog ESP-a je prikazana na slici 5.8. Tipična širina filtra je između 20 i30 m, a tipična dužina je 18-20 m. Uobičajene dimenzije ploča su 20x5 m, razmak između ploča 0,25 m, a broj ploča se meri u stotinama. Posle izlaska iz kotla, dimnigasovi se šalju u ESP velikim kanalima. Po izlasku iz filtra, prečišćeni gasovi se šalju udimnjak. Elektrostatički filter sa svojim omotačem, transformatorima, levcima iutovarnim rampama, može zauzeti veličinu od pola instalacije kotla jedne termoelektrane.

Snaga koja je potrebna za pogon ESP, uključujući i ventilatore za potiskivanje dimnihgasova kroz kanale filtera, kao i mehanički rad potreban za stresanje pepela, predstavljamanje od 0,1% od izlazne snage termoelektrane. Investicioni i troškovi održavanjaelektrostatičkog filtra mogu uvećati trošak proizvedene električne energije za 6-10%.

Slika 5.8 Šematski prikaz instalacije ESP-a velikog kapaciteta

Relativno mala efikasnost prikupljanja čestica ispod 1 μm postojećih ESP-a predstavlja problem za operatore postojećih termoelektrana, zato što agencije za zaštituživotne sredine u pojedinim zemljama, zajedno sa SAD, planiraju da ozvaniče novestandarde za emisiju čestica, prečnika manjeg od 2,5 μm. Novi standard može zahtevati


17/32

89

dograđivanje termoelektrana sa uređajima koje efikasno prikupljaju ove sitne čestice, kaošto su platneni filteri.

Platneni filter. Ovaj filter, koji se često naziva vrećasti filter, radi na principukućnog usisivača. Dimni gasovi se usisavaju u platnenu vreću, čestice bivaju zadržane u

vlaknima filtra, a prečišćen gas se izbacuje u atmosferu. Veličina pora platnenog filtramože biti izabrana, da filtrira bilo koju veličinu čestica, čak dimenzija ispod 1 μm, sve naračun uvećane snage potiskivanja gasa kroz filter velikog hidrauličkog otpora, zavisnogod prečnika pora.

Tipični platneni filter je šematski prikazan na slici 5.9. Dugačke cilindrične vreće,napravljene od odabranog platna su zatvorene na jednom kraju, a otvorene na onomdrugom. Zatvoreni kraj vreća je obešen naopačke na ram, koji može biti istresanmehanički. Dimni gas ulazi sa donje otvorene strane vreće. Prečišćen gas se isisava kroz platno, razlikom pritisaka koju stvara ventilator ili specijalna pumpa i izbacuje u dimnjak.Vrećasti filter za velike termoelektrane može sadržati nekoliko hiljada vreća, od kojih jesvaka dugačka do 4 m, prečnika 12,5 do 35 cm. Neophodno je distribuirati dimne gasove,

podjednako prema svim vrećama, koje formiraju plenum. Vreće obezbeđuju veliku površinu kontakta po jedinici zapreminskog protoka gasa. Recipročna veličina se nazivaodnos filtriranja ili vazduh-platno odnos, koji je jednak površinskoj brzini gasa, tipično uopsegu od 0,5 do 4 cm/s.

Slika 5.9 Šematski prikaz vrećastog filtra


18/32

90

Prikupljene čestice mogu biti uklonjene mehaničkim istresanjem vreća ilimetodom izduvavanja. Mehaničko istresanje se postiže vibriranjem pokretnog rama nakome su vreće obešene. Pri izduvavanju, snažna struja vazduha se uduvava u vreće,smerom suprotnom od puta dimnih gasova, skidajući nataloženi sloj čestica. Uklanjanječestica nije uvek kompletno, pošto čestice prijanjaju za platno filtera, zatvarajući pore.

Ova pojava izaziva zastoje u radu filtera i zahteva zamenu vreća jednom godišnje.Zanimljivo da više začepljen filter ima višu efikasnost uklanjanja ali znatno uvećanusnagu pumpanja, koja treba da obezbedi odgovarajuću površinsku brzinu gasa. Uklonjenečestice padaju u donji levak, odakle se odvoze kolicima.

Dimni gasovi na ulazu u vreće imaju relativno visoku temperaturu od 300-350oC.Takođe, dimni gasovi obično sadrže korozivne gasove i vlagu. Ovi uslovi zahtevaju platno otporno na visoke temperature i koroziju (hemijsku razgradnju platna). Obično sekoristi fiberglas za termoelektrane koje sagorevaju ugalj, dok se drugi materijali, prirodniili sintetički koriste za druge namene, u cementnim pećima, topionicama, mlinovima za papir, ... Platneni filteri visoke efikasnosti za male čestice imaju više investicione itroškove održavanja od statičkih elektrofiltera.

5.2.9.3 Kontrola emisije sumpora

Kako živi organizmi sadrže sumpor u njihovoj ćelijskoj građi, taj isti sumpor jenajvećim delom skladišten u fosilizovanim ostacima tih organizama. Ugalj može sadržatido 6% sumpora po masi, a nafta do 3%. Međutim veći deo ugljeva i sirove nafte sadržiznačajno manje količine sumpora. Generalno, kameni ugalj, mrki i lignit se koriste utermoelektranama. Oni sadrže u proseku 0,7-3% sumpora (po masi). Teško ulje koje sekoristi u termoelektranama sadrži 0,7-2% sumpora. Bez uređaja za kontrolu emisijesumpora, oksidi sumpora, uglavnom sumpordioksid SO2 i veoma male količinesumportrioksida SO3 i sumporne kiseline H2SO4 emituju se preko dimnjaka u atmosferu.Oksidi sumpora su osnova za stvaranje kiseline, kisele magle i njeno taloženje (Odeljak 9.2.3 i 9.2.7). Zato što termoelektrane na ugalj emituju najveći deo ukupne emisijesumpordioksida (ostatak emisije pripada, industrijskim kotlovima, livnicama nemetala,sagorevanju dizela i lakog ulja za grejanje), rukovodioci ovih postrojenja su (zakonom) primorani da ograniče emisiju SO2 preko sagorevanja goriva sa malim sadržajemsumpora ili instalacijom postrojenja za kontrolu njegove emisije.

U osnovi postoje tri pristupa za redukciju emisije sumpora: pre, za vreme i posle procesa sagorevanja fosilnog goriva.

Pre sagorevanja

Pranje uglja. Kada se ugalj iskopa u podzemnim ili na površinskim kopovima, onuvek sadrži određenu količinu mineralnih materija, pomešanih sa ugljem. Najveći deoovih minerala je sastavljen od silikata, oksida i karbonata, poznatih hemijskih elemenata,kao što su kalcijum, magnezijum, aluminijum i gvožđe ali neki od minerala sadrže pirite,koji su sulfati gvožđa, nikla, bakra, cinka, olova i drugih metala. Zato što je gustinamineralnih materija, uključujući pirite, veća od uglja, deo mineralnih materija može bitiuklonjen " pranjem " uglja. Pranje uglja ne redukuje samo sadržaj sumpora u njemu, već i


19/32

91

sadržaj pepela, uvećavajući time toplotnu moć uglja (J/kg) i smanjujući opterećenjesistema za uklanjanje čestica iz dimnih gasova.

Pranje uglja se uobičajeno radi na kopovima i pored rudnika. Tipično, komadnisirov ugalj se potapa u vodenu struju. Lakši ugalj isplivava na površinu, a minerali kaoteži tonu na dno. Vlažan ugalj se potom šalje u uređaj za uklanjanje vode, najčešće

vakum filter, centrifugu ili ciklon. Ugalj može biti dodatno sušen u struji toplog vazduha.Problem sa pranjem uglja je što vodena struja koja nosi mineralnu materiju, možesadržati rastvorene toksične metale i može biti kisela. Stroge uredbe su uvedene u SAD iu drugim državama, da bi sprečile izbacivanje toksičnih, kiselih tokova u okolinu, bezobaveznog odgovarajućeg tretmana.

U SAD oko 50% uglja koji je isporučen termoelektranama je oprano. To jeuglavnom ugalj iz istočnih i rudnika srednjeg zapada (koji poseduju trakastetransportere). Ugalj iz zapadnih rudnika generalno sadrži malo mineralnih materija isumpora, tako da njegovo pranje nije neophodno. Pranjem uglja je moguće ukloniti do50% piritnog sumpora, što predstavlja 10-25% ukupnog sadržaja sumpora u uglju.

Gasifikacija uglja. Ugalj može biti konvertovan hemijskim procesom u gas,nazvan sintetički gas ili sin-gas. U procesu gasifikacije uglja, potrebno je sumpor eliminisati pre finalne faze gasifikacije. Čist, desumporizovan gas može biti korišćen kaogorivo u gasnoj ili kombinovanoj termoelektrani. Proces gasifikacije uglja će bitiobjašnjen u odeljku 5.3.2.

Desumporizacija nafte. Rafinerije mogu redukovati sadržaj sumpora u sirovojnafti, do skoro željenog nivoa. Ovaj proces se uobičajeno vrši u katalitičkom redukciono-oksidacionom procesu, nazvanom Claus-ov proces. Prvo se sumpor u nafti redukuje uvodoniksulfid, uduvavanjem gasovitog vodonika kroz sirovu naftu, uz prisustvokatalizatora.

RS H H RS +®+ 22 , (5.2)

gde je R organski radikal. Dalje, vodoniksulfid (H2S) se oksidiše u SO2, korišćenjematmosferskog kiseonika i istovremeno se SO2 redukuje sa H2S do elementarnog sumpora,takođe uz prisustvo katalizatora:

2222 2

3SOO H OS H +®+ , (5.3)

S O H SOS H 322 222 +®+ . (5.4)

Elementarni sumpor je važan nusprodukt rafinacije nafte i može biti često viđen uvidu žutih bregova, u okviru rafinerijskog kompleksa. To je osnovni materijal za proizvodnju sumporne kiseline.

Iako je sumpor važan (i korisan) nusprodukt prerade nafte, rafinerije naplaćuju uvidu viće cene za naftne proizvode sa sniženim procentom sumpora. Tako korisnici(termoelektrane) plaćaju višu cenu za mazut sa niskim procentom sumpora, što ugrađujuu višu cenu električne energije, proizvedene iz ovih postrojenja. Međutim, najčešće je


20/32

92

jeftinije kupiti skuplje ulje sa niskim sadržajem sumpora, nego ga uklanjati kao SO2 izdimnih gasova.

Za vreme sagorevanja

Sagorevanje u fluidizovanom sloju. Sagorevanje u fluidizovanom sloju (FBC) jesagorevanje uglja (ili bilo kog drugog čvrstog goriva) pomešanog sa zrnastimmaterijalom, najčešće krečnjakom, zajedno podignutih strujom vazduha. Primarna ciljrazvoja FBC-a nije bio smanjenje emisije SO2, već da omogući sagorevanje svih vrstagoriva, uključujući nesprašeni ugalj, komunalni čvrsti otpad, industrijski i medicinskiotpad, drvo, katran i asfalten (čvrsti ostaci prerade nafte). Prisutni pomešani krečnjak deluje kao sorbent, koji izdvaja sumpor i druge nečistoće iz goriva.

Šematski prikaz sagorevanja u fluidizovanom sloju sa istovremenimubrizgavanjem uglja i sorbenta je prikazan na slici 5.10. FBC ložište predstavljacilindričnu komoru sa rešetkom na dnu. Mrvljeni ugalj, granulacije 6-20 mm, zajedno sakrečnjakom (CaCO3) se pneumatski uduvava preko rešetke. Vazduh potreban za

sagorevanje se uduvava ispod rešetke. Posle paljenja, goruća mešavina uglja i krečnjakastruji preko rešetke, "jašući" na jastuku od vazduha. Goruća mešavina deluje dinamično, baš kao turbulentni fluid, pa je i ceo sistem nazvan sagorevanje fluidizovanom sloju.Kotlovske cevi su potopljene (postavljene) u fluidizovani sloj gde se obavlja intenzivan prelaz toplote sa gorućeg sloja na cevi. Drugi set kotlovskih cevi je smešten iznad sloja(ležaja), gde se razmena toplote obavlja konvekcijom i zračenjem sa dimnih gasova.

Slika 5.10 Šematski prikaz sagorevanja u fluidizovanom sloju (FBC)

Sumpor se iz uglja uklanja reagovanjem sa sorbentom u vidu česticakalcijumsulfida (CaSO3) i kalcijumsulfata (CaSO4). Ove čestice, zajedno sa česticamanereagovanog CaCO3 i nesagorelog uglja, zajedno sa dimnim gasovima, odvode se u


21/32


22/32

94

sastoje od hidratisanog kalcijumsulfida i sulfata, kao i od nereagovanog sorbenta, poredtoga i od postojećeg letećeg pepela. Sve ove čestice je potrebno izdvojiti uelektrostatičkom ili vrećastom filteru.

Ubrizgavanje sorbenta se može dograditi kotlovskom sistemu postojećetermoelektrane, mada će možda biti potrebno dograditi sistem za prikupljanje čestica,

zbog njihove uvećane količine. Efikasnost odvajanja sumpora je prosečno 50%, što može biti dovoljno da se zadovolje standardi emisije za postojeće termoelektrane alinedovoljno za standarde emisije novih termoelektrana.

Mokri skruber. U mokrom skruberu, dimni gasovi se tretiraju sa vodenomemulzijom sorbenta, najčešće krečnjaka (CaCO3) ili gašenog kreča (Ca(OH)2), uodvojenoj kuli. Mokri skruber je šematski prikazan na slici 5.11. Posle napuštanjaelektrostatičkog filtera, dimni gas ulazi u apsorpcioni toranj (kulu), u kome se krozmlaznice raspršuje emulziju sorbenta. Hemijska reakcija koja se odvija između SO2 isloja sorbenta se opisuje kao:

223223 2121COO H CaSOO H SOCaCO +×®++ , (5.5)

O H CaSOOO H O H CaSO 242223 22

1

2

3

2

1×®++× . (5.6)

Slika 5.11 Šematski prikaz mokrog skrubera


23/32

95

Molekuli vode, koju su vezani za kalcijumsulfid i sulfat se nazivaju kristalizovanavoda. Hidratizovani kalcijumsulfat je sličan prirodnom gipsu.

Formirana mešavina hidratisanog kalcijumsulfida i sulfata, zajedno sanereagovanim krečnjakom pada na dno vlažnog skrubera, u formi mulja, koji se prebacuje u levkasti sabirnik. Gornji sloj vode u sabirniku se izbacuje u prelivni tank,

odakle se šalje na formiranje nove emulzije krečnjaka. Nataložen debeo sloj mulja se pumpa kroz vakumski filter, kako bi se izdvojila voda, što je više moguće. Teško jeizdvojiti vodu iz CaSO3 i CaSO4, pa oni formiraju želatinozni mulj. Ovaj mulj dalje može biti zgusnut sa izdvojenim letećim pepelom iz ESP-a i onda odložen na deponiji.

Iznad mlaznica, eliminator kapljica kondenzuje vodu. Prečišćen dimni gas ulazi uzagrejač, gde se isparava ostatak vode, a potom odlazi u dimnjak.

I pored usavršavanja protekle decenije (u odnosu na 2000.), mokri skruber i daljenosi određene probleme. Mlaznice se često zapušavaju, mulj se često lepi za strane i dnoapsorpcione kule, odakle mora biti mehanički uklonjen. Dalje, dobijeni mulj je visokokorozivan, sistem za odvodnjavanje je sklon kvarovima, isceđeni mulj je teškotransportovati na deponiju. Česti prekidi rada skrubera mogu biti očekivani, a kako

termoelektrane ne mogu priuštiti instaliranje paralelnog sistema u rezervi, u vremezastoja skrubera, dimni gasovi sa SO2 se kratkom vezom, direktno šalju u dimnjak.Sorpcija SO2 korišćenjem krečnjaka je daleko efikasnija u emulziji u mokrom

skruberu, nego sagorevanjem u fluidizovanom sloju ili ubrizgavanjem sorbenta. Dobrokonstruisan mokri skruber može ukloniti čak 90-99% sumpora iz dimnih gasova. Njegovizahtevi za snagom (pumpe, filteri, zagrejač, ...), mogu izvući 2-3% neto snagetermoelektrane i time smanjiti termičku efikasnost celokupnog postrojenja. Investicioni ioperativni troškovi instalacije mokrog skrubera mogu uvećati za 10-15% cenu električneenergije, kao finalnog proizvoda termoelektrane.

Suvi skruber. Mehanizam hemijske reakcije u suvom skruberu je sličan, kao uvlažnom skruberu. I ovde se CaCO3, CaO ili oba koriste da apsorbuju SO2 iz dimnihgasova formirajući mešavinu kalcijumsulfida i sulfata. Razlika je u tome, što je u suvomskruberu, sorbent uveden u vidu vrlo finog spreja emulzije. Topli dimni gasovi struje usuprotnom smeru od ubrizganog spreja. Odnos emulzije i dimnog gasa se pažljivo meri,kako bi emulzija kompletno isparila u skruberu. U ovakvim uslovima, formira se suvi puder od kalcijumsulfida i sulfata, kao i nereagovanog sorbenta. U ovom slučaju, sistemza uklanjanje čestica je, obično vrećasti filter, instaliran iza skrubera, za razliku odmokrog skrubera, gde je sistem za uklanjanje čestica, obično ESP, postavljen ispredmokrog skrubera. Na ovaj način, suvi skruber ne formira želatinozni mulj, koji se otežanotransportuje i odlaže, međutim on nameće potrebu masivnog sistema za uklanjanječestica.

Efikasnost uklanjanja SO2 suvog skrubera nije tako visoka, kao kod mokrogskrubera i dostiže vrednosti od 70-90%. Investicioni i operativni troškovi suvog skruberasu nešto niži od vlažnog skrubera.

U SAD nove termoelektrane na ugalj moraju instalirati skruber, bilo mokri ilisuvi, u zavisnosti od sadržaja sumpora u uglju. Danas, u SAD oko 25% termoelektrana naugalj ima instaliran skruber. U Nemačkoj i Japanu praktično sve termoelektrane na ugaljimaju instaliran skruber.


24/32

96

5.2.9.4 Kontrola emisije azotnih oksida

Sledeći važan zagađivač koji se emituje sagorevanjem fosilnih goriva su azotnioksidi, nazvani NOx, što uključuje azotoksid NO, azotdioksid NO2 (zajedno sa N2O4),azottrioksid NO3, azotpentoksid N2O5 i diazotoksid N2O. Azotni oksidi, osim NO i NO2,

se emituju u beznačajnim količinama, pa se oznaka NOx pre svega odnosi na zbir NO i NO2.Azotni oksidi NOx su opasni zagađivači, zato što iritiraju respiratorni trakt čoveka

i prethode stvaranju foto-oksidanata, uključujući ozon i kiselog depozita (videti odeljak 9.2.6). U sadašnje vreme (2000.) US EPA (US Environmental Protection Agency) planirada uvede strožije standarde za ozon, što neminovno uključuje strožiju kontrolu emisije NOx iz stacionarnih i mobilnih izvora, uključujući termoelektrane.

Ugalj i nafta sadrže organski azot u njihovoj molekulskoj strukturi. Kada sagore,ova goriva proizvode takozvani NOx iz goriva. Pored toga sva fosilna goriva proizvodetermički NOx. On je rezultat kombinacije atmosferskog azota i kiseonika, pod uslovimavisokih temperatura plamena pri sagorevanju fosilnog goriva:

NOO N 222 «+ . (5.7)

Ova povratna reakcija uključuje međuradikale, kao što su atomski kiseonik i azot,kao i organske radikale, koji se formiraju na visokim temperaturama. Kako se produktisagorevanja hlade, formirani NO prestaje da se raspada na N2 i O2, što bi se dešavalo dase termodinamička ravnoteža uspostavi na temperaturama gasa u dimnjaku. Kako dimnigasovi prolaze dimnjak deo NO oksidiše u NO2 i druge azotne okside.

Ugalj i teško ulje stvaraju i NOx iz goriva i termički NOx, dok prirodni gas proizvodi samo termički NOx. Ugalj i ulje stvaraju približno jednake iznose termičkog i NOx iz goriva. Dimni gasovi nekontrolisanog sagorevanja uglja i ulja sadrže hiljade

delova NOx po milionitom zapreminskom delu, dok dimni gasovi prirodnog gasa sadrže polovinu tog iznosa.Pošto organski azot ne može biti uklonjen pre sagorevanja goriva, kontrola NO x

emisije može biti ostvarena jedino tokom i posle sagorevanja.

Za vreme sagorevanja

Gorionik niskog NO x. Gorionik koji proizvodi nisku emisiju NOx (LNB), koristi proces nazvan stepenasto sagorevanje. Činjenica da je formiranje NOx funkcija viškavazduha u plamenu je iskorišćena u LNB. Ovaj odnos direktno utiče na temperaturu plamena i raspoloživost slobodnih radikala, koji učestvuju u procesu formiranja NOx. Na

slici 5.12 je prikazana zavisnost koncentracije NOx u plamenu (u ppm, zapreminskihdelova po milionu), u zavisnosti od odnosa korišćene mase vazduha po kilogramu goriva(vertikalna linija definiše stihiometrijske uslove sagorevanja). Sa slike se vidi da je podstihiometrijskim uslovima sagorevanja (odnos vazduh/gorivo≈15), kada je količinakiseonika tačno onolika, kolika je potrebna za potpuno sagorevanje goriva, formiranamaksimalna količina NOx. Manje količine NOx se formiraju i pod uslovima bogate smeše(nedovoljno kiseonika za sagorevanje, levo od stihiometrijske smeše) i pod uslovimasiromašne smeše (višak kiseonika za sagorevanje, desno od stihiometrijske smeše).


25/32

97

Šema gorionika sa niskom emisijom NOx je prikazana na slici 5.13. Gorivo (na primer sprašeni ugalj) i vazduh se ubrizgavaju kroz unutrašnju centralnu cev gorionika.Ovde je odnos vazduh/gorivo manji od stihiometrijskog, što znači da se radi o bogatojsmeši. Ovakvi uslovi proizvode svetao plamen, gde postoji određena količinanesagorelog uglja (bogata smeša) ali i niska koncentracija NO x, prema dijagramu 5.12

(leva strana). Sekundarni i tercijarni vazduh se uvode kroz spoljašnje cevi, formirajućispoljašnji plamen u uslovima siromašne smeše. Ovde sav prethodno nesagoreli ugaljsagoreva, formirajući opet niske koncentracije NOx, prema dijagramu 5.12 (desna strana).Krajnji rezultat je kompletno sagorevanje goriva i formiranje nižih koncentracija NOx,izbegavajući nepovoljne uslove, kada se stvara maksimum ovog produkta.

Slika 5.12 Zavisnost koncentracije NOx u plamenu, u zavisnosti od odnosa korišćenemase vazduha po kilogramu goriva

Slika 5.13 Šematski prikaz gorionika niske emisije NOx (LNB)


26/32

98

Naknadno ugrađivanje LNB-a u kotao je relativno lako ostvariti, a nije ni previšeskupo. Uvećanje troškova proizvodnje električne energije, korišćenjem LNB-a je oko 2-3%. U stvari, većina termoelektrana i industrijskih kotlova na fosilna goriva imajuinstalirane LNB gorionike. Problem je što LNB može redukovati formiranje NOx samo za30-55%, u poređenju sa klasičnim gorionicima. Zato što su problemi kiselih kiša (kiselih

depozita) i visokih koncentracija prizemnog ozona u urbanim, industrijskim regionimakontinenata sve značajniji, operatori termoelektrana na fosilna goriva su pod sve većim pritiskom da redukuju emisiju NOx, efikasnije, nego što se to postiže korišćenjem LNBgorionika.

Posle sagorevanja

Selektivna katalitič ka redukcija. U procesu selektivne katalitičke redukcije (SCR) bilo amonijak (NH3), bilo urea (CO(NH2)2) se ubrizgava u katalitički reaktor, kroz koji se propušta dimni gas. Prateća hemijska reakcija, kada se ubrizgava amonijak je:

O H N O NH NO 2223 6444 +®++

. (5.8)

Na ovaj način NO se uklanja amonijakom, koji reaguje sa NO i O2 i formiraelementarni molekulski azot. Katalizator u mešavini je titanijum i vanadijumoksidraspršen u strukturi poput saća. SCR reaktor je smešten između ekonomajzera i zagrejačavazduha, u konstrukciji kotla, gde je temperatura 300-400oC. Efikasnost reakcije je 80-90%, tako da 10-20% azotnih oksida napušta postrojenje kroz dimnjak, zajedno sa 10-20% nereagovanog amonijaka. Ova pojava se naziva klizanje amonijaka. Iako jeamonijak toksičan gas, s vremenom gas pada na zemlju, a njegova koncentracija se nesmatra štetnom.

Svojstva katalizator se vremenom neutrališu, posebno ako dimni gas sadrži leteći

pepeo i sumpordioksid, koji ga nose (treba imati u vidu da se katalitički reaktor postavljaispred ESP i skrubera). Dakle, katalizator zahteva česte zamene, što predstavlja osnovnioperativni trošak SCR-a. Za ugradnju SCR-a generalni remont postrojenja je potreban, pošto katalitički reaktor mora biti umetnut između katalizatora i zagrejača vazduhakotlovskog postrojenja. Uvećanje troškova proizvodnje električne energije utermoelektrani na fosilno gorivo, korišćenjem SCR-a je oko 5-10%.

Selektivna nekatalitič ka redukcija. Redukcija NO može biti ostvarena na višimtemperaturama, bez korišćenja katalizatora, selektivnom nekatalitičkom redukcijom(SNCR). U ovom procesu urea se koristi umesto amonijaka. Urea se u vodenom rastvoruubrizgava u pregrejačku sekciju kotla, gde vladaju temperature 900-1000oC, što je

dovoljno visoko za skoro potpuno odvijanje hemijske reakcije:

O H CO N Ovod NH CO NO 222222 244.)()(44 ++®++ . (5.9)

Mnogi operatori termoelektrana preferiraju ovu opciju, zato što ne zahtevakatalizator. Sa druge strane, urea je skuplja od amonijaka. Takođe, ovo rešenje je jednostavnije za ugradnju u postojeću konstrukciju, jer mlaznica uree može bitimontirana direktno u cevni zid kotla. Sistem SNCR može biti korišćen u kombinaciji sa


27/32

99

gorionikom niskog NOx. Krajnja redukcija NOx je 75-90%, a uvećanje proizvodne ceneelektrične energije je 3-4,5%.

5.2.9.5 Toksična emisija

Ugalj i (što je manje izraženo) nafta sadrže mineralne materije, koje u tokusagorevanja mogu da stvore toksične pare i čestice. Čestice veće od 1-2 μm u prečniku se,skoro u celini, mogu izdvojiti standardnim sistemima za tu namenu, bilo ESP-om bilovrećastim filterom. Manje čestice i pare mogu proći dimnjak i zagaditi okruženje. Živa,selen, kadmijum i arsen su toksični metali, koji delimično mogu proći dimnjači trakt, uvidu pare. Konkretno emisija žive izaziva veliku zabrinutost, zato što su visokekoncentracije žive otkrivene u nekim jezerima i priobalnim vodama. Ribe i drugi vodeniorganizmi mogu akumulirati živu i naći se u ljudskom lancu ishrane. Trenutno u SAD,Evropi i Japanu, sprovode se obimne studije o problemu emisije žive i tehnologijama,koje mogu biti iskorišćene u smanjenju emisije žive iz termoelektrana.

Drugi problem vezan za termoelektrane na fosilna goriva je emisija radona.

Radon je produkt raspada uranijuma, elementa koga mogu sadržati neki minerali u uglju.Radon je radioaktivni gas, koji emituje alfa čestice. Deo prisutnog radona u atmosferimože biti praćen preko termoelektrana na fosilna goriva.

5.2.10 Odlaganje otpadnih materija

Termoelektrane na ugalj proizvode značajnu količinu čvrstog otpada.Termoelektrane na teško ulje proizvode znatno manje čvrstog otpada, a one na gas ga praktično ne proizvode. Ranije smo izračunali da termoelektrana, snage 1000 MW, naugalj, koji sadrži 10% mineralnih materija, proizvodi oko 3,2e5 t/god. letećeg pepela. Akougalj sadrži 2% (po masi) sumpora, a taj sumpor se uklanja desumporizacijom dimnihgasova, korišćenjem mokrog skrubera sa krečnjakom, postoji nova količina otpada od 3-4e5 t/god., u vidu vlažnog mulja, koji sadrži hidratisani kalcijum sulfid, kalcijum sulfat inereagovani krečnjak. Dok neke termoelektrane uspešno prodaju ili bar prosleđuju dalje, prikupljeni leteći pepeo, za moguće primene mešanja sa betonom, asfaltom ili podloge za puteve, mulj iz skrubera se praktično ne koristi. Pepeo i skruberni mulj nekih ugljeva,može sadržati toksične organske i neorganske komponente. U tom slučaju, potrebno jeovaj otpad skladištiti na osiguranim deponijama. Deponija mora biti postavljena sanepropusnim materijalom, kako bi se sprečilo curenje u zemljište i podzemne vode.Tipični materijali za oblaganje deponije su prirodna glina ili sintetičko platno. Zato štotransportni troškovi mogu biti značajni, lokacija deponije treba da bude u blizinitermoelektrane. Mešavina letećeg pepela i mulja za termoelektranu na ugalj, snage 1000MW, bi ispunila deponiju od 4-8 hektara, duboku 0,305 m, svake godine. Zbog toga,nove termoelektrane na ugalj moraju biti podignute u blizini pogodnih, raspoloživihlokacija za deponiju čvrstog otpada.


28/32

100

5.3 NAPREDNI CIKLUSI

Videli smo da najbolje parne termoelektrane na fosilna goriva dostižu termičkuefikasnost blizu 40%, dok je srednja vrednost za SAD 36%, a za svet 33%.Termoelektrane koje rade na principu gasnih turbina, dostižu manje vrednosti termičke

efikasnosti, u opsegu 20-30%. Ovo znači da 60-75% hemijske energije fosilnog goriva,koje se troši u elektrani, nepovratno se odbacuje u okolinu. Osim toga, emisija dimnihgasova po kilovatčasu proizvedene električne energije, je obrnuto proporcionalnatermičkoj efikasnosti postrojenja. Niža efikasnost znači više zagađenja i više emisijeCO2. Zato se veliki napori i novac, bilo privatnih kompanija, bilo državni, ulažu u povećanje termičke efikasnosti budućih termoelektrana, koje primenjuju naprednecikluse. U SAD, ova istraživanja i razvoj su sponzorisana od Instituta za istraživanja proizvodnje električne energije i Američkog departmenta za Energiju.

5.3.1 Kombinovani ciklus

Termodinamički principi kombinovanog ciklusa su objašnjeni u odeljku 3.10.5.Šematski prikaz termoelektrane koja radi po kombinovanom ciklusu (GTCC) je dat naslici 5.14. U prvom ciklusu, nazvanom gornji ciklus, odgovarajuće fluidno gorivo,uobičajeno prirodni gas, pokreće gasnu turbinu. Vreli izlazni dimni gasovi iz gasneturbine, prolaze kroz razmenjivač toplote, nazvan rekuperativni kotao (HRB), a zatim sešalju prema dimnjaku. U rekuperativnom kotlu ključa napojna voda, a dobijena para pokreće parnu turbinu. Ovaj deo procesa je nazvan donji ciklus. Ponekad se dodatnogorivo ubacuje u struju dimnih gasova, u posebnoj komori za sagorevanje, smeštenoj naizlazu iz gasne turbine, pre nego što gasovi uđu u HRB. Kombinacija gasnog i parnogciklusa može dostići termičku efikasnosti od 45%, što predstavlja napredak u odnosu nanajefikasnije pojedinačne gasne ili parne cikluse.

Slika 5.14 Šematski prikaz postrojenja koje radi po kombinovanom ciklusu

Problem sa kombinovanim ciklusom je što je osnovno gorivo prirodni gas, koji jeznatno skuplji po jedinici toplotne moći od uglja. Takođe, rezerve gasa neće trajati takodugo, kao rezerve uglja (videti odeljak 2). Termoelektrane koje rade po kombinovanomciklusu su pogodno rešenje, tamo gde je gas lako dostupan i jeftin i gde ekološke


29/32

101

regulative nameću teška finansijska opterećenja termoelektranama na ugalj. One su posebno atraktivne u urbanim okruženjima, pošto praktično ne zahtevaju skladištenjegoriva (komprimovani gas se doprema gasovodom u postrojenje), nema potrebe zauklanjanjem čestica iz dimnih gasova, kao ni za skruberom (uklanjanje SO2). Dalje, ovdene postoji potreba za odlaganjem čvrstog otpada. Ipak, postrojenja po kombinovanom

ciklusu mogu zahtevati sistem za kontrolu emisije NOx, pošto se u gasnoj turbini mogustvarati značajne količine termičkog NOx. Dalje, kondenzator i rashladna kula su svakakoobavezni delovi ovog postrojenja.

5.3.2 Kombinovani ciklus sa gasifikacijom uglja

Termoelektrana po kombinovanom ciklusu može raditi na ugalj ali ga je tada prethodno potrebno gasifikovati. Gasifikovani ugalj (sintetički gas, SG) pokreće gornjiciklus gasne turbine. Termoelektrana koja radi po kombinovanom ciklusu i koristigasifikovani ugalj se naziva postrojenje po integrisanom gasifikovanom kombinovanomciklusu (IGCC).

Razvijene su različite metode gasifikacije uglja i to već u devetnaestom veku zaobezbeđenje napajanja gasovoda za stambene potrebe (grejanje, kuvanje, osvetljenje).Dobijeni gas je nazivan gradski gas i bio je korišćen, pre nego što je prirodni gas postaoširoko dostupan u drugom delu dvadesetog veka. U svetskim ratovima, Nemačka jekoristila gasifikovani ugalj, kao gorivo za automobile, kamione i vojna vozila.

Ugalj može biti gasifikovan do sintetičkog gasa niske, srednje i visoke toplotnemoći. Procesi dobijanja se razlikuju zavisno od toga da li se koristi vazduh ili čistkiseonik pri gasifikaciji i da li je dobijeni gas bogat ili siromašan ugljendioksidom (CO2).Za IGCC postrojenje najpogodniji je sintetički gas visoke toplotne moći.

Proces gasifikacije uglja startuje sa drobljenjem uglja. Ako ugalj ima tendencijukoksovanja i preoksidacije, neophodno je učiniti njegovu površinu više poroznom.Mleveni ugalj se šalje u retortu, gde se u prisustvu katalizatora, izlaže čistom kiseoniku i pari:

222 33 H COO H OC +®++ . (5.10)

Čist kiseonik (>99%) se doprema iz specijalnih jedinica za separaciju vazduha uokviru kruga postrojenja. Rezultujuća gasna mešavina sadrži mnoštvo organskih jedinjenja veće molekulske mase, kao što je i vodoniksulfid (H2S). Sledeći korak senaziva gašenje, u kome se teška ulja i katran uklanjaju iz mešavine, kondenzacijom ikorišćenjem vodenog rastvora. Potom sledi uklanjanje H2S, prethodno opisanim Claus-ovim ili sličnim procesom.

Sintetički gas dobijen reakcijom (5.10), ima relativno nisku toplotnu moć od 9,1-18,2 MJ/m3. Ovaj gas ne bi bio pogodan za korišćenje u IGCC postrojenju. Radi podizanja toplotne moći gasa, ugljenmonoksid CO i vodonik H2 prelaze prekokatalizatora na 400oC, formirajući metan, u procesu koji je nazvan metanizacija:

O H CH CO H 2423 +®+ . (5.11)


30/32

102

Dobijeni sintetički gas ima (donju) toplotnu moć od 36-38 MJ/m3, slično metanu.Ovakav SG može biti korišćen u konvencionalnoj gasnoj turbini. Alternativna reakcija je proizvodnja vodonika u reakciji promene vodenog gasa:

222 H COO H CO +®+ . (5.12)

Dobijeni vodonik može biti razdvojen od CO2, korišćenjem separacionemembrane i korišćen u visokoefikasnim H2/O2 gorivim ćelijama (odeljak 3.12).

Procenjena termička efikasnost postrojenja sa kombinovanim ciklusom igasifikacijom uglja je reda 40-45%, uključujući energiju potrebnu za separaciju vazduha igasifikaciju uglja. Ova efikasnost prevazilazi one u parnim postrojenjima sa sprašenimugljem i kontrolom emisije, do 36-38%. Međutim investicioni i operativni troškovi IGCC postrojenja su značajno viši, od onih u parnim postrojenjima sa sprašenim ugljem.Trenutno, ovi troškovi ne opravdavaju višu termičku efikasnost.

U SAD, Institut za istraživanja proizvodnje električne energije zajedno sakonzorcijumom privatnih investitora, izgradio je demonstracionu IGCC termoelektranu,

uključujući jedinicu separacije vazduha u Barstow-u, Kalifornija, nazvanu postrojenjehladne vode. Termoelektrana ima snagu od 105 MW ali pošto sve komponente nisuoptimizovane i uključene, njegova termička efikasnost je samo 31%. Emisija dimnihgasova zadovoljava stroge zahteve kalifornijskog tela za kontrolu zagađenja vazduha.Postrojenje je uspešno funkcionisalo 5 godina (1984-1989) ali je posle toga konzervisanozbog velikih operativnih troškova. Međutim, postrojenje hladne vode je pokazalo daIGCC je realno izvodljiv i može biti u skladu sa strogim standardima emisije zagađivača.

5.3.3 Kogeneracija

Kogeneracija se termin koji se koristi za postrojenja koja proizvode istovremeno i

električnu energiju i korisnu toplotu (najčešće za grejanje), sagorevajući gorivo. Uindustrijskim i komercijalnim instalacijama, toplota može biti korišćena za zagrevanje prostora ili tehnološke procese. Razlog za kogeneraciju je prvenstveno finansijski, gdetroškovi proizvodnje i isporuke električne energije i toplote kogeneracijom, mogu bitimanji od troškova razdvojene proizvodnje, kao u slučaju kupovine električne energije odsnabdevača, dok se proizvodi toplota u postojećem kotlu. Da li će kogeneracijski sistemredukovati potrošnju goriva, potrebnu za proizvodnju električne energije i toplote, zavisiod detalja samog sistema. Osim toga, kontrola emisije može biti efikasnija i jeftinija uvelikim termoelektranama nego malim kogeneracionim postrojenjima, osim ako ovadruga troše prirodni gas kao gorivo, što neminovno smanjuje emisiju. Godine 2000. oko12% američkih postrojenja za proizvodnju električne energije su bili kogeneraciona

postrojenja.Kada toplotna mašina pokreće električni generator da bi proizvodila struju, totakođe podrazumeva izlazni tok pare ili vrelih dimnih gasova. Kada izduvni gas imadovoljno visoku temperaturu da se koristi u tehnološkom procesu ili za grejanje prostora,određena količina njegove entalpije može biti iskorišćena za toplotne potrebe ukogeneracionom postrojenju. Ako je Qgor potrošnja toplote goriva, potrebna za proizvodnju električne energije Pel i potrebne (procesne) toplote Q proc, tada imamo:


31/32

103

exel gor Q P Q += , (5.13)

gor t el Q P h= , (5.14)

gor t hexh proc

QQQ )1( hhh -== , (5.15)

gde su Qex raspoloživi toplotni fluks izduvnih gasova, ηt termička efikasnost proizvodnjeelektrične energije i ηh≤1 deo toplotnog fluksa izduvnih gasova, koji je isporučenželjenom procesu (grejanje prostora, tehnološki proces, ...). Deljenje toplote goriva Q gor između električne energije ηtQgor i procesne toplote ηh(1- ηt)Qgor , zavisi od termičkeefikasnosti ηt toplotne mašine i efikasnosti procesa razmene toplote ηh. Ova efikasnost ηhzavisi prvenstveno od temperature na kojoj se isporučuje procesna toplota, u poređenju saraspoloživom temperaturom izduvnih gasova. Ona je veća kada je ova razlikatemperatura veća i obrnuto. Kada se procesna toplota zahteva na višim temperaturamaiskorišćena procesna toplota iz kogeneracijskog sistema može biti suviše mala u

poređenju sa proizvedenom električnom energijom, da bi opravdala funkcionisanje ovogkomplikovanog sistema i u tom slučaju može biti energetski efikasnije i ekonomski jeftinije da se električna energija kupuje od efikasnih centralizovanih termoelektrana i procesna toplota od efikasnih kotlova.

Kogeneracija je najkorisnija, kada je procesna toplota (ili toplota za grejanje)zahtevana na nižim temperaturama. Tada se Qex umesto da bude odbačena ukondenzatoru i rashladnoj kuli, razmenjuje sa jedinicom, koja zahteva niskotemperaturnutoplotu, recimo za potrebe sušenja ili grejanja prostora. Kada je velika termoelektrana (ili peć za spaljivanje) smeštena u blizini gusto naseljenih ili komercijalnih gradskih zona,Qex može biti transportovana toplovodima direktno u zgrade za potrebe grejanja prostorai sanitarne vode. Govorimo o sistemu daljinskog grejanja (district heating).

5.3.4 Gorive ćelije

Princip funkcionisanja gorivih ćelija je objašnjen u odeljku 3.12. Goriva ćelijanije toplotna mašina. U gorivoj ćeliji, hemijska energija goriva se direktno konvertuje uelektričnu energiju, uz ostatak koji se kao toplota odvodi u okolinu. Teorijska termičkaefikasnost u smislu odnosa dobijene električne energije i hemijske energije goriva, može biti blizak vrednosti od 100 %, kada se proizvode niske izlazne snage. Međutim, zbog parazitskih toplotnih gubitaka (na primer, usled električnog otpora) i zbog zahteva zaelektričnom energijom pomoćne opreme (pumpe, ventilatori, ...), sadašnje gorive ćelije,koje koriste prirodni gas ili vodonik i vazduh (umesto kiseonika), imaju znatno manju

termičku efikasnost, u radu na maksimalnoj snazi, od 45-50%. Pored toga, ako sevodonik koristi kao gorivo, on mora biti proizveden u odvojenom procesu, koji takođezahteva utrošak energije. Na primer, vodonik može biti proizveden iz vode, elektrolizom.Razbijanje vode na vodonik i kiseonik zahteva 18 MJ električne energije po kilogramuvode, više nego što se proizvede u gorivoj ćeliji, koristeći ovaj elektrolitički vodonik.Vodonik u gorivim ćelijama se obično dobija u procesu transformacije metana (odeljak 3.14.1).


32/32

5.4 ZAKLJUČAK

Termoelektrane na fosilna goriva troše 55,5% ukupne svetske fosilne energije.Dve trećine svetske električne energije se proizvodi iz fosilnih goriva, od kojih je 80%ugalj. Skoro sve termoelektrane na fosilna goriva rade na principima toplotnih mašina,

gde se 25-40% energije goriva pretvara u električnu energiju. Ostatak se odbacuje u formiodvedene toplote u okolinu (toplotni ponor), kao i u vidu parazitskih toplotnih gubitaka.Pored toga, termoelektrane na fosilna goriva, posebno na ugalj, proizvode niz zagađivača,uključujući čestice, sumporne i azotne okside, toksične organske i neorganske produktesagorevanja. Emisija ovih zagađivača mora biti kontrolisana da bi se zaštitilo javnozdravlje i životna sredina. Uređaji za kontrolu emisije umanjuju termičku efikasnosttermoelektrane i uvećavaju proizvodne troškove električne energije. Termoelektranetakođe proizvode velike količine čvrstog i tečnog otpada, troše značajne količine sveževode i emituju znatne količine ugljendioksida (CO2), gasa staklene bašte, koji značajnoutiče na globalno zagrevanje.

Ipak, život u urbanim, industrijskim zajednicama ne može biti zamišljen bez

električne energije. Mi jedino možemo stremiti ka uvećanju termičke efikasnostitermoelektrana, unapređenju njihove kontrolu emisije, postepeno zamenjujući ova postrojenja sa gorivim ćelijama, kao i sa elektranama na obnovljive izvore energije. Nakraju, sa iscrpljivanjem rezervi fosilnih goriva i rastućom krizom globalnog zagrevanja,nuklearne elektrane moraju biti korišćene u većoj srazmeri, nego što je to sada slučaj.

Documents

Elektrane Na Fosilna Goriva - Poglavlje 5