Технические науки/5. Энергетика

Юрченко О.В.

Харківский Національный педагогічний університет ім. Г.С. Сковороди, Україна

Поєднання принципів магнітогідродинамічного генерирування електричної енергії і надвисокочастотного опромінення робочого тіла як один з шляхів підвищення екологічної безпеки отримання електроенергії

Неухильне зростання споживання електричної і теплової енергії, обмеженість і постійне виснаження запасів традиційних паливно-енергетичних ресурсів гостро ставить в країні проблему пошуку альтернативних джерел енергозабезпечення. Світовий досвід доводить, що в цій ситуації можливі два шляхи розв’язання проблеми [1]. По-перше, потрібно впроваджувати енергозберігаючі технології, обладнання, що забезпечують зменшення споживання енергоресурсів; по-друге, необхідно впроваджувати різноманітні відновлювані джерела енергії і за рахунок цього зменшувати відносну долю традиційних джерел в загальному енергобалансі.

Енергетичні установки є одним з основних джерел забруднення атмосфери двоокисом сірки [2], який вважається одним з основних складових частин "токсичних туманів" и одним из активних компонентів формування смога. Таким чином, особливої уваги потребує пошук нових методів очищення викидів від сполук сірки як одного з напрямків підвищення екологічної безпеки отримання електроенергії.

Електроенергія може бути отримана за рахунок дії магнітного поля на рухливі електричні заряди плазми на установці, яка називається магнітогідродинамічним генератором (МГД) [3]. В камері згоряння при спалюванні нафти, гасу або природного газу утворюється висока температура, близько 2000 – 3000 К, при якій газоподібні продукти згоряння іонізуються, утворюючи електронно-іонну плазму. Розжарена плазма рухається по каналу, який розширюється, при чому її внутрішня енергія перетворюється в кінетичну енергію, і швидкість збільшується більше ніж до 2000 м/с. Заряджені частинки різних знаків, з яких складається плазма, потрапляють в область сильного магнітного поля. Під дією сили Лоренца, яка діє на частинки в магнітному полі, вони розділяються і досягають електродів, створюючи струм через навантаження. Таким чином, кінетична енергія іонізованої пари перетворюється в енергію електричного струму. В результаті роботи МГД ‑ генератора напруга, яка виділяється на навантаженні, може досягати декількох сотен або тисяч вольт. З метою підвищення ККД МГД ‑ генератора в камеру згоряння вводять речовини, які легко іонізуються. Серед них – сполуки, що містять кальцій, натрій, цезій [4,..,6]. ККД установки з МГД ‑ генератором вище, ніж у теплових електростанцій.

Привнесення до камери згоряння карбонату калія крім підвищення ККД установки дозволить очистити димові відходи. З карбонату калія в присутності сполук сірки утворюється сполука сірки і калію – сульфат калію. Його потрібно вловити електрофільтрами і подати до спеціальної шахтної печі, де відновити воднем до сірководню.

Якщо за допомогою надвисокочастотного (НВЧ) електричного поля ввести енергію в іонізоване середовище, величина якого менше порогу пробою, то енергія НВЧ хвилі передається атомам і молекулам [5, 6]. При цьому змінюється стан газового середовища, змінюються параметри самої плазми в ході розвитку газорозрядного процесу. Лише сукупність спеціальних заходів дозволяє домогтися стаціонарності плазмового утворення [7].

Нові можливості використання НВЧ випромінювання при створюванні МГД ‑ генераторів з’явилися при розв’язанні проблеми отримання достатньої провідності плазми в широкому діапазоні робочих температур. Зниження електропровідності плазми при відносно низьких температурах, коли використання теплової енергії газу в МГД ‑ генераторі могло б бути ще термодинамічно вигідним, можна компенсувати за рахунок отримання нерівноважної плазми, що створюється за допомогою іонізуючого НВЧ випромінювання [ 9 ].

В НВЧ - способі очищення викидів випромінювання використовується для розриву зв’язку атомів в молекулах. В схемі МГД ‑ генератора з використанням НВЧ - способа очищення викидів, яка пропонується нижче, через трубку з кварцевого скла пропускається сірководень. Електромагнітне НВЧ випромінювання, яке пронизує потік сірководню, віддає свою енергію на розрив зв’язку між атомами водню і сірки. Цей процес відбувається при низькій температурі, тому після виходу із зони випромінювання немає рекомбінації і утворення знову сірководню. Залишки карбонату калію треба направити до МГД ‑ генератора для повторного використання. Таким чином можна очисти димові відходи до високого ступеню.

На мал.1 наведена схема електростанції з МГД – генератором, в якій відбувається очищення димових відходів від двоокису сірки. В пристрої підготовки вугілля воно подрібнюється до порошкоподібного стану і разом з атмосферним повітрям потрапляє до пристрою підготовки паливної суміші, звідки під надлишковим тиском паливна суміш потрапляє до МГД ‑ генератора. В МГД ‑ генераторі паливна суміш згоряє; після потрапляння в магнітне поле відбувається розділення зарядів – носіїв електричного струму. На шляху двох пучків носіїв струму встановлюються карбід-вольфрамові електроди, різниця потенціалів з яких поступає на перетворювачі постійного струму у змінний, і далі – до споживачів електроенергії.

Продукти згоряння кам’яного вугілля далі потрапляють до електрофільтра №1, звідки нагріті, очищені від твердих речовин, гази потрапляють в теплообмінник, де віддають своє тепло для опалення. З метою підвищення електропровідності плазми і підвищення ККД МГД ‑ генератора до розжарених продуктів згоряння вводиться певна кількість карбонату калія. Сірка, яка міститься в кам’яному вугіллі, сполучається з калієм і в вигляді сульфату калія надходить до печі відновлення сірководню. Сірководень потрапляє в кварцеву трубу, яка опромінюється НВЧ – випромінюванням. В кварцевій трубі молекула сірководню розпадається на водень і сірку.

Мал.1 Схема електростанції з МГД – генератором, в якій відбувається очищення димових відходів від двоокису сірки

Сірка, яка виходить з виходу електрофільтра №2, накопичується в бункері, звідки її треба вилучати і направляти до підприємств хімічної промисловості. Водень буде потрапляти до печі відновлення сірководню. Дрібнодисперсний шлак з виходу електрофільтра №1, як сировину для виробництва будматеріалів, потрібно направляти до підприємств будівельної галузі.

Таким чином, завдяки поєднанню принципів магнітогідродинамічного генерування електричної енергії і надвисокочастотного опромінення робочого тіла, підвищується ККД і утилізуються викиди, а саме, сполуки сірки, що сприяє підвищенню екологічної безпеки отримання електроенергії.

Литература:

1. Магомедов А. М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. - Махачкала: Издательско-полиграфическое объединение "Юпитер", 1996, 345с.

2. Скурлатов Ю.И. Введение в экологическую химию. – М.: «Высшая школа», 1994.- 400 с., ил.

3. Кабардин О.Ф. Физика: Справ. материалы. – М.: Просвещение, 1991. – 367с.

4. В.Д.Русанов, А.А.Фридман. Физика химически активной плазмы. -М: Наука, 1984, 415с.

5. Мак-Доналд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах, пер. с англ., М., 1969

6. Девятов A.M., Шибков В.М. Элементарные процессы в ионизованном газе. -Учебное пособие. М.: физический факультет МГУ, 2000, 84с.

7. Л.М.Биберман, В.С.Воробьев, И.Т.Якубов. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М., Наука, 1982, 375с.

8. Батанов Г. М. и др., СВЧ разряды высокого давления, «Труды ФИАН», 1985, т. 160, с. 174

9. А.П.Моторненко, Е.В.Белоусов, А.Г.Боев. МГД ‑ генератор на неравновесной плазме, создаваемой СВЧ – ионизацией. // Украинский физический журнал, 1973, т.6, №18, с.1007 – 1011.