Газовая ТЭЦ обеспечивает тепло, CO2 для теплиц
Комбинированные теплоэнергетические системы могут быть эффективными и эффективными в теплицах.
Цели обучения
- Узнайте, как комбинированное производство тепла и электроэнергии может повысить эффективность теплицы.
- Понять обработку выхлопных газов.
- Узнайте, как эффективно выбирать, проектировать и устанавливать системы ТЭЦ в теплицах.
Коммерческие теплицы сегодня это сложные операции, выращивание растений более эффективно, чем в предыдущих поколениях, благодаря новым технологиям, которые лучше используют свет и воздух. Ключевыми компонентами в этой смеси природных ресурсов являются тепло и углекислый газ, которые вырабатываются вместе с электричеством с помощью генераторной установки. Не удивительно, что Когенерационные решения становятся все более популярными в теплицах и, в частности, генераторные установки, работающие на газе, доказывают свою всестороннюю жизнеспособность.
Электричество и тепло, которые мы используем, традиционно генерируются двумя отдельными процессами в двух разных местах - электричеством на электростанции и теплом в котле. Однако это «раздельное производство», как известно, теряет примерно половину энергии, выделяемой электростанцией в атмосферу, в виде тепла. Эта энергетическая трата далека от идеальной, и следует предпринять шаги, чтобы избежать ее, где это возможно.
В местах, где электричество и тепло требуются одновременно Всегда предпочтительнее изучить варианты когенерации, также называемые комбинированной выработкой тепла и энергии (ТЭЦ). Когда тепло можно использовать непосредственно в месте, где производится электричество, оно не теряется.
Принцип CHP прост: дизельный или газовый двигатель приводит в действие электрический генератор, вырабатывающий необходимую электрическую мощность. В то же время тепло восстанавливается из четырех источников: охлаждения кожуха двигателя, смазочного масла, промежуточного охладителя и выхлопных газов. В целом, когенерация, как правило, может восстановить 95% произведенного тепла в целом, и это тепло передается в сеть нагревательных труб через теплообменники.
Помимо использования восстановленного тепла, хорошо спроектированная и реализованная когенерация также полезна для окружающей среды, поскольку она потребляет меньше топлива и выделяет более низкие уровни выбросов в атмосферу, особенно если используются высокоэффективные газовые двигатели, работающие на обедненном топливе. Экономия топлива впечатляет.
При одинаковом производстве электроэнергии и тепла можно сэкономить 30% топлива когенерация по сравнению с обычным раздельным производством тепла и энергии , как показано на рисунке 1.
Газовая ТЭЦ и производство CO2 в теплицах
Зеленые растения питают свой рост, поглощая углекислый газ из воздуха и воду из земли, которые они синтезируют в сложные углеводородные молекулы, такие как глюкоза. Энергия солнечного света стимулирует синтез. В коммерческих теплицах часто используется дополнительное освещение под научно выбранными углами, и используются светодиоды для дополнения естественного света индивидуальным спектром света, который способствует росту растений. Синтез углеводородов известен как фотосинтез, и основное уравнение этой фотохимической реакции заключается в следующем:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
Дополнительный CO2 для повышения уровня внутри теплицы может быть получен несколькими способами, включая выхлопные газы от нагрева и, реже, введение чистого CO2, приобретаемого на коммерческой основе.
Тем не менее, ТЭЦ позволяет получать необходимый СО2 из выхлопных газов двигателя, работающего на газе. Это становится жизнеспособным, как только определенные компоненты газов были снижены до уровня, который был бы вреден для растений. Компоненты газа, подлежащие восстановлению, представляют собой, в частности, неметановые углеводороды (NMHC) и оксиды азота (NOx).
Обработка выхлопных газов достигается путем селективного каталитического восстановления (SCR) с использованием широко доступной химической мочевины в качестве восстановителя для производства CO2 в трехступенчатом процессе.
Во-первых, точное количество мочевины, пропорциональное уровню NOx, впрыскивается в горячие выхлопные газы. Мочевина превращается в аммиак (NH3) с помощью процесса, называемого пиролизом. В этой каталитической части процесса оксиды азота реагируют с мочевиной с образованием азота и воды.
NOx + NH3 → N2 + nH2O
Во-вторых, часть NMHC превращается в окись углерода (CO).
Наконец, CO и NMHC превращаются в CO2.
Оборудование для очистки выхлопных газов устанавливается там, где выхлопные газы наиболее горячие. Перед входом в теплицу используется конденсатор для охлаждения очищенных газов ниже 122 F.
Растения требуют наибольшего количества СО2, когда условия являются оптимальными для фотосинтеза - другими словами, когда есть солнечный свет - и в это время растения испытывают минимальную потребность в тепле. Поскольку генераторная установка вырабатывает тепло и CO2 одновременно, тепло, вырабатываемое генераторной установкой в течение дня, обычно хранится в буферном резервуаре для использования в течение ночи.
Производство CO2 на ТЭЦ по сравнению с традиционной газовой горелкой
Теплицы традиционно используют газовые горелки для преобразования подводимой энергии в тепло. Однако когда ТЭЦ сжигает газ, примерно 40% входной энергии преобразуется в электричество. Следовательно, для производства одинакового количества выходного тепла из той же входной энергии, блок ТЭЦ сжигает больше газа и производит примерно вдвое больше СО2.
Есть два способа использовать это различие. Теплица может работать при более высокой концентрации CO2, стимулируя рост растений и повышая эффективность на квадратный фут поверхности. С другой стороны, ТЭЦ может производить то же количество СО2, что и газовая горелка, но только половину количества тепла. Какой метод используется, зависит от многих факторов, таких как тип растений, время года, площадь поверхности теплицы и вместимость резервуара для хранения тепла.
ТЭЦ для производства тепла и CO2 для парниковые приложения может окупиться в удивительно короткие сроки, в пределах от 1,5 до 3 лет в благоприятных условиях. Газовые генераторные установки очень подходят для этого применения из-за их превосходных экологических характеристик и эффективного производства тепла и электроэнергии.
При реализации решения дизайнер должен учитывать ряд моментов. Например, для определения размеров оборудования CO2, такого как трубы и вентиляторы, важно учитывать коэффициент избытка воздуха, определяемый как количество поступающего воздуха, деленное на минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива. , Количество воздуха для полного сгорания топлива зависит от состава топлива.
Для сгорания приблизительно 35 кубических футов природного газа при нормальной температуре и давлении (1 Н м³) требуется приблизительно 8,5 Н м³ воздуха. Двигатели, работающие на жидком топливе, работают с высоким коэффициентом избытка воздуха (выше 1,5), чтобы свести к минимуму выработку NOx. Следовательно, ТЭЦ производит больший объем выхлопных газов, чем горелка.
С точки зрения потери давления очень важно, чтобы компоненты, которые должны быть установлены в системе выхлопных газов, такие как SCR, теплообменник, конденсатор и глушители, были выбраны точно. Слишком большая потеря давления в выхлопной системе вызывает плохую работу двигателя.
Проектирование и установка блока ТЭЦ должны учитывать эти и другие факторы. При правильной конструкции блока ТЭЦ, это применение когенерации было показано коммерчески жизнеспособный , Теплицы по всему миру в настоящее время признают преимущества и добавляют ТЭЦ к другим технологиям, которые помогают им стимулировать рост растений и повышать рентабельность.
Стефан Де Вит стал руководителем проекта в Cummins Power Generation в 1997 году отвечает за когенерационные и тригенерационные установки для промышленности, захоронения отходов, биогаза и теплиц.