СПОСОБ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Изобретение относится к области тепловой электроэнергетики, конкретно к способу получения электричества из горючих веществ и к технологической линии по производству электричества.

Известны способы производства электричества, основанные на сжигании горючего вещества, преобразовании тепловой энергии горящего вещества в кинетическую энергию вращения вала электрогенератора и преобразовании кинетической энергии вращения вала электрогенератора в электрическую энергию [1÷4].

Недостатком известных способов производства электричества является относительно низкий коэффициент полезного действия (КПД).

Согласно [5, с.78] это связано с тем, что коэффициент преобразования потенциальной энергии горящего вещества в тепловую, а затем в электрическую энергию для существующих энергоблоков тепловых электростанций (ТЭС) на газовом топливе не превышает 40%, дизельных электростанций (ДЭС) - не превышает 32% и бензиновых электростанции (БЭС) - не превышает 25%.

Остальная (большая) часть тепловой энергии горящего вещества попросту вылетает в трубу в виде дымовых (80% - CO₂) газов, нагревая окружающую среду и приводя к необратимым изменениям климата на Земле.

В этих условиях желательно использовать остаточную тепловую энергию дымовых газов для дополнительного получения электрической энергии в интересах повышения общего КПД преобразования химической энергии горючего вещества в электрическую энергию с одновременным уменьшением тепловых выбросов в атмосферу.

Известны способы [6÷8] преобразования дымовых газов в электрическую энергию, позволяющие повысить указанный КПД и уменьшить тепловые выбросы в атмосферу на основе СВЧ-катализа (разложения) двуокиси углерода (CO₂) на горючие составляющие, включающие углерод, оксид углерода и кислород, преобразовании энергии дополнительных горючих составляющих в кинетическую энергию плазмы путем их сжигания в газовом реакторе и магнитогидродинамическое преобразование энергии движущееся плазмы в электрическую энергию в сопле Лаваля.

Наиболее близким из известных [6÷8] к заявленному способу по назначению и технической сущности относится способ производства электричества [8], заключающийся в сжигании горючего вещества и последовательном преобразовании в электричество высокотемпературных и низкотемпературных газов горящего вещества с последующим суммировании электричества на распределительной станции.

При этом преобразование в электричество тепловой энергии высокотемпературных газов горящего вещества вначале производят в тепловых энергоблоках, а затем преобразование в электричество остаточной тепловой энергии низкотемпературных дымовых газов (80% - диоксид углерода) путем катализа (разложения) вольтовой дугой и электромагнитным излучением на горючие составляющие (оксид углерода + кислород) с последующим их дожигом в газовом реакторе.

Тепловой энергоблок известной технологической линии [8] для промышленного производства электричества выполнен преимущественно в виде котельного агрегата /9/ мощностью 100÷300 МВт для ТЭС с суммарной мощностью ≥1 ГВт или в виде двигателя внутреннего сгорания (ДВС) дизельной /10/ электростанции (ДЭС) стационарного типа мощностью 250÷500 МВт. Производительность дымовых труб и/или дымососов котельных теплоагрегатов находится в диапазоне (8÷700) тысяч м³/час в зависимости от их проходного сечения и силы тяги. При этом диаметр d проходного сечения дымовых труб может составлять от 0.4 м (стальные) до 10 м (железобетонные), а их высота Н - соответственно от 40 до 300 м.

Недостатком данного способа и технологической линии по промышленному производству электричества [8] является сложность производства электричества, связанная с отсутствием в производстве генераторов сверхвысоких частот (СВЧ) требуемой мощности и частоты для резонансного СВЧ-катализа дымовых газов.

Задачей и техническим результатом изобретения является упрощение производства электричества.

Сущность изобретения.

Поставленная задача и заявленный технический результат достигаются тем, что способ производства электричества, заключающийся в сжигании горючего вещества и последовательном преобразовании в электричество высокотемпературных и низкотемпературных газов горящего вещества с последующим суммировании электричества на распределительной станции, согласно изобретению вначале преобразуют в электричество тепловую энергию высокотемпературных газов горящего вещества путем разделения электрических зарядов тепловых газов в поперечном магнитном поле, а затем преобразуют в электричество тепловую энергию остаточных низкотемпературных газов - в тепловых энергоблоках.

При этом в качестве горючего для производства электричества используют твердые, жидкие и/или газообразные вещества. В качестве твердого вещества используют антрацит, каменный уголь, торф, сланцы горючие и/или древесные отходы. В качестве жидкого вещества используют бензин, керосин, дизельное топливо и/или мазут. В качестве газообразного вещества используют метан, природный и/или синтезированный горючий газ.

Технологическая линия по производству электричества, реализующая предложенный способ, содержит последовательно соединенные и технологически связанные по переработке горючего топлива в электрическую энергию камеру сжигания топлива, магнитный преобразователь тепловой энергии высокотемпературных газов сжигаемого топлива в электрическую энергию, тепловой энергоблок для переработки остаточных низкотемпературных газов в электрическую энергию и распределительную станцию, второй электрический вход которой соединен с выходом магнитного преобразователя.

При этом магнитный преобразователь тепловой энергии высокотемпературных газов выполнен в виде блока модулей, каждый из которых содержит трубу из тугоплавкого диэлектрического материала, внутри трубы с двух противоположных сторон по ходу движения отработанных газов установлены токосъемные пластины из немагнитного материала с электрическими контактами для соединения с электрическими выходами блока модулей, с внешней стороны трубы преобразователя перпендикулярно каждой паре токосъемных пластин установлены постоянные магниты на подложках из пермаллоя или из трансформаторного железа, причем суммарная площадь проходных сечений труб магнитных модулей в месте установки магнитных модулей выполнена не менее площади поперечного сечения выходной трубы камеры сжигания топлива.

В качестве немагнитного металла токосъемных пластин каждого магнитного модуля использована нержавеющая сталь, медь и/или алюминий, а в качестве тугоплавкого диэлектрического материала его трубы - керамика и/или фарфор.

Технические преимущества заявленного способа и технологической линии по производству электричества по сравнению с прототипом [8] связаны со следующими отличиями заявленного изобретения.

Во-первых, в отличие от известного способа вначале осуществляют прямое преобразование энергии высокотемпературных газов (Т≥1000°C) в первичное электричество, а затем - дополнительное преобразование остаточной (600°C≤T≤1000°C) тепловой энергии газов - в тепловом энергоблоке во вторичное электричество. Это позволяет увеличить суммарный выход электрической энергии при магнитном преобразовании энергии тепловых газов в электрическую энергию за счет увеличенной концентрации носителей зарядов (увеличенной тепловой энергии) на выходе топки по сравнению с аналогичной концентрацией на выходе дымовой трубы.

Во-вторых, прямое преобразование энергии высокотемпературных тепловых газов в электрическую энергию, основанное на магнитном разделении электрических разноименных зарядов газов в поперечном магнитном поле (эффект Лоренца), в отличие от прямого электродинамического преобразования [8] исключает необходимость использования сложных по конструкции и настройке СВЧ-катализатора, газового реактора и сопла Лаваля. Это позволяет упростить производство электричества за счет снижения количества операций по прямому преобразованию энергии дымовых газов в электричество. При этом одновременно упрощается конструкция технологической линии по производству электричества и повышается ее надежность.

В третьих, некоторое снижение температуры Броуновского движения молекул и атомов дымовых газов при магнитном преобразовании дымовых газов в электрическую энергию создает благоприятные температурные условия для вторичной переработки остаточной (600°C≤T≤1000°C) тепловой энергии дымовых газов в теплообменниках энергоблоков для получения пара с давлением 100÷140 атмосфер и температурой 510÷560°C для вращения турбины электрогенератора мощностью 100 МВт [9, с.11].

При этом снижается отложение накипи внутри нагревных труб, стабилизируется КПД теплообменников и существенно увеличивается ресурс их работы.

Из-за малого (30÷50 мм) диаметра [9, с.13] ресурс работы труб первого контура теплообмена энергоблоков существующих ТЭС и ТЭЦ при использовании дымовых газов с температурой T≥1000÷1200°C - не превышает трех месяцев. За это время и при такой температуре нагрева происходит практически полное зарастание накипью проходных сечений труб нагрева воды. Очистка этих труб требует демонтажа и использования дорогостоящих средств и методов их очистки, превышающих по временным и экономическим затратам стоимость новых труб и их замены. Поскольку количество этих труб в каждом теплообменнике ТЭС и ТЭЦ составляет десятки тысяч единиц, а их длина соизмерима с высотой пятиэтажного дома [9, с.12], время на восстановление работоспособности теплообменников сравнимо с временным ресурсом их работы. Поэтому не случайно в существующих ТЭС и ТЭЦ используют резервный дублирующий энергоблок, из которых один блок работает один квартал (три месяца), а на другом в это время вырезают «заросшие» трубы и приваривают на их место новые трубы.

Из указанного примера видна целесообразность снижения температуры дымовых газов, в данном случае на основе эффекта Лоренца, для последующего поддержания их рационального температурного режима и использования в тепловых энергоблоках ТЭС и ТЭЦ.

В известном способе и технологической линии по производству электричества [8] перестановка местами первичной и вторичной переработки дымовых газов по аналогии с заявленным изобретением затруднена из-за высокой скорости, температуры и давления выходных газов из сопла Лаваля и трудности их использования для нагрева теплоносителя в ТЭС и ТЭЦ.

В целом указанные технические преимущества изобретения позволяют упростить производство электричества при равных затратах топлива, увеличить надежность и продлить ресурс работы тепловых энергоблоков в заявленной технологической линии. Заявленный способ производства электричества может быть реализован на существующих ТЭЦ и ТЭС при их соответствующей модернизации. Снижение при этом тепловых выбросов в атмосферу одновременно повышает экологичность производства электричества в промышленном масштабе.

На фиг.1 представлен рисунок, поясняющий принцип прямого магнитного преобразования энергии тепловых газов в электрическую энергию, на фиг.2 - функциональная схема технологической линии по производству электричества, реализующая предложенный способ производства электричества на типовой ТЭС, на фиг.3 - конструкция магнитного преобразователя высокотемпературных тепловых газов в электрическую энергию, а на фиг.4 - конструкция магнитного модуля и пример их последовательного соединения.

Заявленный способ промышленного производства электричества может быть использован при разработке новых и модернизации существующих ТЭС. Он заключается в сжигании горючего вещества (генерации высокотемпературных дымовых газов), магнитном преобразовании высокотемпературных (T≥1000°C) дымовых газов в первичное электричество, преобразовании тепловой энергии остаточных низкотемпературных (600°C≤T≤1000°C) газов, охлажденных в процессе магнитного преобразования, - во вторичное электричество и последующем суммировании первичного и вторичного электричества на распределительной станции. При этом в качестве первичного источника энергии - горючего вещества (топлива) - для производства электричества используют твердые, жидкие и/или газообразные вещества. В качестве твердого вещества используют антрацит, каменный уголь, торф, сланцы горючие и/или древесные отходы. В качестве жидкого вещества используют бензин, керосин, дизельное топливо и/или мазут. В качестве газообразного вещества используют метан, природный и/или синтезированный горючий газ. Магнитное преобразование в электричество тепловой энергии высокотемпературных газов горящего вещества производят путем разделения электрических зарядов тепловых газов в поперечном магнитном поле на основе использовании эффекта Лоренца [10, с.407], а преобразование в электричество остаточной тепловой энергии низкотемпературных газов - в тепловых энергоблоках.

Принцип разделения электрических зарядов в поперечном магнитном поле и прямого (магнитного) преобразования энергии дымовых газов в электрическую энергию поясняется рисунком, представленным на фиг.1.

Согласно фиг.1, дымовые газы 1, входящие в поперечное магнитное поле Н магнитов 2 и 3, под действием силы тяги F_т устройства вытяжки дымовых газов (дымовой трубы и/или вытяжного вентилятора - дымососа) водогрейного котла теплоагрегата приобретают скорость V_e. Проходя между магнитами 2 и 3 отрицательные заряды (электроны и отрицательные ионы) этих газов под действием силы Лоренца F_л, оседают и удерживаются на металлической пластине 4, а положительные ионы - на пластине 5.

При этом между разноименно заряженными пластинами 4 и 5 образуется первичное электричество с разностью потенциалов U_л=U_л (n, V_e, Н, ε), где n, V_e, Н, ε - плотность заряженных частиц, скорость движения дымовых газов, напряженность магнитного поля между магнитами 2 и 3 и диэлектрическая проницаемость дымовых газов соответственно.

Далее отработанные и частично охлажденные дымовые газы 1 при отборе первичного электричества передаются на тепловой энергоблок для получения пара и вращения электрогенератора, установленного на валу паровой турбины (на фигурах не показано). Полученное вторичное электричество суммируется далее с первичным электричеством на распределительной станции технологической линии 6, реализующей предложенный способ производства электричества.

Технологическая линия 6 содержит последовательно соединенные и технологически связанные по переработке горючего топлива в электрическую энергию камеру 7 сжигания топлива (генератор дымовых газов), магнитный преобразователь 8 тепловой энергии высокотемпературных газов сжигаемого топлива в электрическую энергию, тепловой энергоблок 9 для переработки остаточных низкотемпературных газов в электрическую энергию и распределительную станцию 10, второй электрический вход которой соединен с выходом магнитного преобразователя 8.

При этом магнитный преобразователь 8 тепловой энергии высокотемпературных газов в электрическую энергию выполнен в виде блока модулей 11. Каждый модуль 11 содержит трубу 12 из тугоплавкого диэлектрического материала, например из керамики и/или фарфора. Внутри трубы 12 с двух противоположных сторон по ходу движения отработанных газов установлено не менее одной пары токосъемных пластин 4 и 5 разноименного заряда, образующих накопительный конденсатор первичного электричества. Пластины 4 и 5 выполнены из немагнитного материала, например из нержавеющей стали, меди и/или алюминия, и снабжены электрическими контактами 13 и 14 для соединения с электрическими выходами 15 магнитного преобразователя 8. С внешней стороны трубы 12 каждого модуля 11 перпендикулярно каждой паре токосъемных пластин 4 и 5 установлены постоянные магниты 2 и 3 на подложках 16 из пермаллоя или из трансформаторного железа. Для уменьшения газодинамического сопротивления суммарная площадь проходных сечений труб 12 магнитных модулей 11 магнитного преобразователя 8 выполнена не менее площади поперечного сечения выходной трубы 17 генератора 7 тепловых газов. Выход 18 магнитного преобразователя 8 по отработанным газам соединен через тепловой энергоблок 9 с устройством 19 вытяжки дымовых газов. Устройство 19 вытяжки выполнено в виде дымососа и/или дымовой трубы.

Работа технологической линии 6, реализующей предложенный способ производства электричества рассмотрена на примере ее реализации для ТЭС с выходной мощностью ее тепловых энергоблоков 100 МВт.

При сжигании топлива генератор 7 дымовых газов линии 6 генерирует тепловые газы 1 с температурой не ниже 1000°C, при которой плотность n электрических зарядов (электронов, положительных и отрицательных ионов) в дымовых газах может составлять n≥10⁸ см^-3. Далее поток ионизированных высокотемпературных дымовых газов под действием силы F_т тяги устройства 19 вытяжки выходит из трубы 17 генератора 7 и последовательно проходит через трубы 12 магнитного преобразователя 8, через тепловой энергоблок 9 и устройство 19 вытяжки дымовых газов. Под действием силы F_т тяги устройства 19 тепловые дымовые газы и их электрические заряды приобретают скорость V_e. Проходя трубы 12 магнитного преобразователя 8 между магнитами 2 и 3, создающими магнитное поле с напряженностью Н, отрицательные заряды (электроны и отрицательные ионы) дымовых газов под действием силы Лоренца F_л (фиг.1) оседают и удерживаются на металлической пластине 4, а положительные ионы - на пластине 5. При этом между разноименно заряженными пластинами 4 и 5 образуется разность потенциалов U_л=U_л (n, V_e, H, ε), где n, V_e, Н - плотность заряженных частиц, скорость движения дымовых газов, напряженность магнитного поля между магнитами 2 и 3 и диэлектрическая проницаемость дымовых газов соответственно. Разноименно заряженные пластины 4 и 5 образуют емкостной накопитель первичного электричества с энергией электрического поля .

Согласно /10, с.355/ численное значение электрической энергии первичного электричества, полученное на основе прямого магнитного преобразования тепловой энергии тепловых газов генератора 7, в первом приближении определится из условия

где:

Q - удельное количество первичного электричества, создаваемое на пластинах 4 и 5 емкостного накопителя в единицу времени (кулон/сек);

С - емкость накопителя магнитного преобразователя 8;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость дымовой (80% - CO₂) среды;

ε₀ - электрическая постоянная вакуума;

S_4,5 - площадь пластин 4 (5);

d_4,5 - расстояние между разноименно заряженными пластинами 4 и 5;

N_м - количество пар разноименно заряженных пластин 4 и 5 в емкостном накопителе.

Проведем экспресс-оценку численного значения для теплоагрегата средней мощности 100 МВт с дымососом средней производительности 86 тыс.м³/час (Δύ=24 м³/с), с температурой дымовых газов на входе магнитного преобразователя T≥1000°C (n≥10⁸ см³), с площадью S_п поперечного сечения потока дымовых газов S_п=4 м².

При заданных условиях S_п=4 м² и Δύ=24 м³/с для уменьшения динамического сопротивления площадь S_м проходного сечения магнитного преобразователя 8 должна быть равна площади S_п потока дымовых газов, а именно S_м=S_п=4 м². При этом длина L трубы магнитного преобразователя 8 для синхронной переработки этого количества Δύ=24 м³/с дымовых газов в электрическую энергию должна составлять L_м≥24 м³/4 м²=6 м. Такие габариты магнитного преобразователя 8 не превышают габариты штатных дымососов 19 известных ТЭС [9, с.12].

Для того, чтобы все электрические заряды Q, находящиеся в текущем объеме V_м=24 м³ дымовых газов в каждую единицу времени не вышли за пределы магнитного модуля напряженность Н магнитного поля в его трубе, создаваемая магнитами 2 и 3 (фиг.1) должна быть достаточной для разделения и вывода на токосъемные пластины 4 и 5 всего количества N_v заряженных электрических зарядов , находящихся в текущем объеме ΔV дымовых газов. Однако это проблематично из-за большого (d_м=2 м, N_м=1) расстояния между магнитами 2 и 3. Указанная проблема решается путем монтажа множества съемных магнитных модулей 11 с трубами 12 уменьшенного квадратного сечения со стороной d₁₁≤0.2 м с уменьшенной площадью сечения S₁₁ в едином корпусе 8 с указанными выше габаритами и суммарным S_м проходным сечением для дымовых газов S_м=ΣS₁₁=4 м². При этом в этом корпусе преобразователя 8 можно разместить до 100 магнитных модулей 11 с собственными магнитами 2 и 3, с изолированными парами токосъемных пластин 4 и 5 с площадью S_4,5 токосъемных пластин, равной S_4,5=1.2 м², расстоянием d_4,5 между пластинами 4 и 5 и расстоянием d_м между магнитами 2 и 3, равным d_м≈d_4,5=0.2 м. Это позволяет не только обеспечить создание требуемого значения напряженности Н магнитного поля в трубах 12 для разделения зарядов, но и менять параметры выходного электрического напряжения преобразователя 8 за счет параллельно-последовательного переключения выводов 15 модулей 11. Емкость С₁₁ двухпластинчатого конденсатора (N_м=1) отдельного магнитного модуля 11 для CO₂-среды можно рассчитать из известного /10, с.345/ выражения

C₁₁=ε·ε₀S₁₁/d₁₁=8.86324·10^-12 Ф/м·1.2 м²/0,2 м=532·10^-12 Ф

Суммарная емкость С_м для расчета энергетики магнитного преобразователя 8 из выражения (1) для всех 100 модулей, при последовательном соединении их конденсаторов будет составлять С_м=532·10^-4 Ф.

В свою очередь, минимальное значение электричества Q, указанное в выражении (1) и получаемое конденсатором С_м при переработке порции V_Δ=24 м³ дымовых газов в секунду без учета валентности и дополнительного вклада в энергетику положительных и отрицательных ионов дымовых газов (80% - CO₂) может быть найдено из условия

где:

- плотность элементарных зарядов в дымовых газах с температурой ≥1000°C на входе магнитного преобразователя 8;

V_Δ - объем тепловых газов, перерабатываемых в единицу времени;

q_e - численное значение элементарного заряда;

Подставляя численные значения величин , V_Δ см³ = 24·10⁶ см³, q_e=1.602·10^-19 к в выражение (2) находим Q=38.4·10^-5 к/с.

В этом случае абсолютное значение выходной электрической энергии магнитного преобразователя 8 (первичное электричество), найденное из формулы (1), может составлять не менее 50 МВт-час.

Далее дымовые тепловые газы с остаточной температурой 600≤T≤1000°C по трубе 18 из магнитного преобразователя подаются в стандартный тепловой энергоблок 9 для получения вторичного электричества с удельной энергией 100 МВт-час. В энергоблоке 9 дымовые газы 1 используются для получения пара с параметрами (давление 100÷40 атмосфер и температура 510÷560°C), необходимыми для вращения паровой турбины электрогенератора (на фигурах не показано). Полученное вторичное электричество 100 МВт-час суммируется далее с первичным электричеством 50 МВт-час на распределительной станции 10 и выдается потребителям электричества с общим объемом поставок электрической энергии 150 МВт-час.

Из рассмотренного примера видно, что предложенный способ и технологическая линия по производству электричества позволяют не только упростить производство электричества по сравнению с прототипом [8], но и получить существенную прибавку в энергии существующих ТЭС за счет углубленной переработки топлива (без использования дополнительных его объемов).

Коэффициент полезного действия (КПД) заявленного изобретения по переработке топлива в электрическую энергию можно рассчитать из выражения

где:

- , - удельная энергия первичного и вторичного электричества;

- W_T - удельная тепловая энергия используемого топлива;

- η - коэффициент преобразования тепловой энергии топлива в электрическую энергию существующих ТЭС.

Подставляя максимальное из известных [11] значений КПД для лучших тепловых энергоблоков η=40% на газовом топливе, а также рассчитанные значения и в выражение (3) получим, что КПД предложенного способа и технологической линии по производству электричества составляет η=60%. Это на 20% выше КПД лучших тепловых энергоблоков ТЭС. Соответствующим образом уменьшаются удельные затраты топлива для производства электричества.

Изобретение разработано на уровне технического предложения и предварительных расчетов эффективности его использования.

Источники

1. БАЖЕНОВ М.И. и др. Промышленные тепловые электростанции. - М.: Энергия, 1979, с.184-187, с.66.

2. Справочник по проектированию электроснабжения. Под общей редакцией Ю.Н. Тищенко, Н.С. Мовсесова, Ю.Г. Барыбина. М.:, Энергоатомиздат. 1990. 571 с.

3. AN APPARATUS FOR UTILIZING FLUE GASES. WO 2010123391, B01D 53/32, F01N 3/027, 2010.

4. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ. RU 2278280, МПК: F01K 9/00, 2004.

5. Енохович А.С. Краткий справочник по физике. М.: «Высшая школа». 1969, 192 с.

6. DEVICE FOR RECOVERING ENERGY FROM FLUE GASES, WO 2010128877, H02K 44/08, 2010

7. Плазменный источник энергии, RU 2485727, H05H 1/24, H02K 44/08, 2013.

8. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА. RU 132641, Н02K 47/18, 2013.

9. Стырикович М.А. и др. Котельные агрегаты. М.-Л. Государственное энергетическое издательство. 1958. 487 с.

10. Яворский Б.М. и Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов ВУЗОВ. М:. «Наука», 1965, 647 с.

11. БСЭ, 1972, т.13, с.306.