Угольные электростанции являются основным источником производства энергии во всем мире. На угольной электростанции уголь сжигается в котле для нагрева воды до пара, который затем вращает турбину для выработки электроэнергии. Сегодня уголь вырабатывает около 40% электроэнергии в мире. Понимание того, как работают угольные электростанции, дает представление о важном источнике энергии.
Уголь доставляется на угольные электростанции оптом поездом или баржей. Типичная электростанция может получать 1-2 поезда с углем в день, причем в каждом поезде более 100 вагонов, перевозящих 100 тонн угля. По прибытии бульдозеры используются для сталкивания угля с вагонов поезда в большие ямы. Эти угольные кучи могут быть высотой в несколько этажей и занимать акры земли.
Затем большие механические руки зачерпывают уголь и помещают его на конвейерные ленты, которые доставляют уголь на саму электростанцию. Уголь проходит через дробилки, которые дробят его на более мелкие куски, прежде чем он поступает на завод для сжигания. Для эффективного сжигания важно иметь однородный и соответствующий размер кусков угля.
Котел представляет собой массивную конструкцию, в которой сжигается уголь и образуется пар. Внутри котла есть несколько ключевых компонентов:
Топка — здесь уголь подается в котел и сжигается в бушующем огненном шаре. Здесь температура может достигать более 1700 °F.
Водяные трубы — в то время как топка содержит пламя, соседние водяные трубы заполнены водой, которая нагревается до состояния пара. Мили этих труб поглощают тепло.
Воздухозаборник — вентиляторы втягивают воздух в топку, чтобы обеспечить кислородом угольный огонь. Соотношение воздуха и угля тщательно контролируется.
Сбор золы — зола, оставшаяся после сжигания угля, падает на дно топки и удаляется зольными бункерами.
Вот схема котла, на которой показаны эти компоненты:
Котел работает при давлении более 3000 фунтов на квадратный дюйм и температуре, достигающей 1000 °F. Тщательный мониторинг и системы безопасности имеют решающее значение для предотвращения взрывов, которые могут разрушить установку.
Перегретый пар высокого давления, образующийся в котле, подается по трубопроводу в турбину. Турбина имеет тысячи лопаток, которые вращаются силой пара. Турбина соединена с валом генератора, поэтому, когда вращается турбина, вращается и генератор.
Обычно существует 3 ступени турбин:
Турбина высокого давления — первая ступень, которая использует пар полного давления из котла. Здесь вырабатывается примерно 50% мощности турбины.
Турбина промежуточного давления — после выхода из турбины высокого давления пар поступает сюда под более низким давлением для дальнейшего вращения.
Турбина низкого давления — последняя ступень, которая извлекает остаточную энергию перед тем, как пар конденсируется обратно в воду.
Этот 3-ступенчатый отбор позволяет извлекать из пара максимальную энергию. Ступени должны тщательно контролироваться для поддержания оптимальных условий вращения.
Турбина соединена с массивным генератором, который вырабатывает электричество. Генератор работает на основе электромагнитной индукции. Когда турбина заставляет ротор генератора вращаться, он вращает катушки провода в магнитном поле. Затем это индуцирует электрическое напряжение и ток на основе закона индукции Фарадея.
Вырабатываемое электричество составляет около 25 000 вольт. Затем трансформаторы, расположенные поблизости, повышают напряжение для эффективной передачи в электросети. Один генератор на большой угольной электростанции может иметь номинальную мощность более 600 мегаватт.
После прохождения через турбины пар должен быть охлажден обратно в воду перед повторным использованием в котле. Этот процесс охлаждения происходит в конденсаторе электростанции.
Конденсатор содержит трубки с холодной циркулирующей водой. Когда отработанный пар проходит по трубкам, он конденсируется обратно в воду, которая собирается внизу. Этот конденсат затем перекачивается обратно в котел для повторения цикла генерации пара.
Охлаждающая вода для конденсатора обычно поступает из близлежащей реки, озера или океана. Водозаборные и сбросные сооружения сами по себе являются крупными проектами гражданского строительства. Перекачка охлаждающей воды потребляет значительную часть энергии завода.
Сжигание угля производит диоксид серы, оксиды азота и твердые частицы, которые необходимо контролировать. Угольные электростанции используют несколько систем контроля загрязнения:
Электростатические осадители — они используют большие электроды для подачи электрического заряда на твердые частицы загрязняющих веществ в потоке дымовых газов, заставляя их прилипать к металлическим пластинам, которые можно периодически очищать. Это удаляет более 99% выбросов твердых частиц.
Десульфуризация дымовых газов — также известные как скрубберы, они смешивают дымовой газ с известняковой пульпой, которая химически поглощает диоксид серы. Сера восстанавливается для промышленного использования.
Селективное каталитическое восстановление — аммиак впрыскивается в дымовой газ и пропускается через катализатор, преобразуя оксиды азота в безвредный азот и водяной пар.
Рукавные фильтры — фильтры, содержащие тысячи тканевых мешков, собирают все оставшиеся частицы до того, как очищенный дымовой газ будет выпущен из дымовой трубы завода.
Правильная эксплуатация и обслуживание этих систем загрязнения имеют важное значение для чистой выработки электроэнергии. Продолжается разработка передовых технологий для снижения воздействия угля на окружающую среду.
Помимо загрязняющих веществ дымовых газов, угольные электростанции производят большое количество твердых отходов, известных как угольная зола. Угольная зола включает летучую золу, зольный остаток и котельный шлак. Летучая зола составляет большую часть, в то время как зольный остаток и шлак составляют меньшее количество.
Американские угольные электростанции производят более 100 миллионов тонн угольной золы в год. Примерно 43% этой золы перерабатывается в такие продукты, как цемент и стеновые панели. Остальное должно быть утилизировано на свалках или в поверхностных водоемах. Правильное обращение с золой имеет решающее значение для предотвращения загрязнения окружающей среды.
| Тип угольной золы | Описание |
| Летучая зола | Тонкий порошкообразный компонент, улавливаемый в отходящих газах электростатическими осадителями и рукавными фильтрами. Часто перерабатывается в производство бетона. |
| Зольный остаток | Более крупные частицы золы, которые собираются на дне печи. Обычно смешиваются с водой и поступают в золоотстойники. |
| Котельный шлак | Расплавленный зольный остаток, охлажденный водяным охлаждением. Имеет грубый, стекловидный, зернистый вид. Перерабатывается в дробь для дробления. |
Эффективность установки показывает, сколько полезной энергии производится по сравнению с общим потреблением энергии из топлива. КПД типичной угольной электростанции составляет 33–35%.
Факторы, влияющие на эффективность, включают:
– Качество угля – требуется более высокое теплосодержание и низкая влажность
– Конструкция котла – новые котлы с циркулирующим кипящим слоем могут достигать КПД 42%
– Параметры пара – более высокая температура и давление повышают КПД
– Производительность турбины – эрозия и загрязнение со временем снижают КПД
– Контроль загрязнения – для очистки дымовых газов требуется вспомогательная энергия
Регулярное техническое обслуживание и оптимизация рабочих параметров помогают максимизировать КПД. Но в конечном итоге КПД угольной электростанции ограничивается фундаментальным пределом Карно, при котором неизбежно теряется значительное количество тепла.
При сжигании угля выделяется приблизительно 0,9 метрических тонн CO2 на мегаватт-час произведенной энергии, что в значительной степени способствует изменению климата. Установка систем улавливания углерода на угольных электростанциях является одним из вариантов, который изучается для сокращения этих выбросов:
Улавливание после сжигания — наиболее широко используемый подход, при котором CO2 удаляется химическими веществами после сгорания. Значительно снижает эффективность.
Улавливание до сжигания — уголь сначала газифицируется в «синтез-газ», а CO2 удаляется перед сжиганием. Сложный процесс с высокими капитальными затратами.
Кислородно-топливное сжигание — уголь сжигается в чистом кислороде для получения более высоких концентраций CO2 для более легкого улавливания. Требуется установка разделения воздуха на месте.
Эти технологии все еще находятся в стадии разработки и пока не являются экономически целесообразными для широкомасштабного внедрения. В качестве альтернативы угольные электростанции могут работать совместно с природным газом или биомассой, чтобы сократить чистые выбросы.
Современные угольные электростанции используют сложные процессы и системы для эффективного преобразования энергии угля в надежное электричество. Понимание компоновки электростанции — от угольной кучи до дымовой трубы — дает представление об этом важном методе производства электроэнергии. Однако альтернативы, такие как природный газ и возобновляемые источники энергии, вытесняют уголь из-за более низких затрат и воздействия на окружающую среду. Будущая роль угольных электростанций будет зависеть от повышения эффективности и технологий контроля выбросов.