Экология энергетики

Экология энергетики

Белосельский Б. С.

Внедрение в энергетику более эффективных и экологически чистых технологий сегодня является одной из приоритетных задач. Связано это как с необходимостью всемерной экономии энергоресурсов, так и с защитой окружающей среды – проблемой, которая еще более обострится в связи с ожидаемым сокращением подачи природного газа на электростанции России и возрастанием потребления ими угля. Этим вопросам были посвящены доклады, представленные на 5-й секции Международной научно-практической конференции “Экология энергетики-2000”.

Планируемое сокращение подачи газового топлива на электростанции России в ближайшие годы вынуждает энергетиков начать широкомасштабную работу по замене природного газа углем и другими видами твердого топлива, внедрению новых технологий, в том числе связанных с использованием возобновляемых источников энергии. Рост потребления угля на ТЭС, особенно при традиционных методах его сжигания, неизбежно повлечет за собой негативные экологические последствия; переход к возобновляемым источникам энергии потребует больших первоначальных затрат, хотя, как полагают специалисты, они могут достаточно быстро окупиться. При такой альтернативе представляют интерес разработанные отечественной наукой и техникой малозатратные методы и технологии для энергетики, а также мировой опыт в этих вопросах.

Доклады, представленные на Конференции по указанной в заголовке статьи тематике, можно разделить на две группы:

§ посвященные технологиям получения, подготовки к сжиганию и собственно сжиганию топлив; 

§ посвященные новым источникам энергии и методам ее преобразования. 

Из докладов первой группы внимание участников секции привлек, в частности, доклад Е.А. Евтушенко и др. “Новая технология использования твердого топлива в энергетике” (Новосибирский государственный технический университет, Новосибирскэнерго). Авторами доклада предложена и испытана оригинальная технология приготовления и сжигания жидкого композита, состоящего из смеси угля и торфа. По этой технологии специально приготовленная суспензия угольной пыли в воде направляется в диспергатор-кавитатор, после которого смешивается с водной суспензией измельченного торфа, также предварительно обработанной в диспергаторе-кавитаторе. В обоих случаях содержание жидкой фазы в суспензиях должно быть не менее 15% по объему. При необходимости в полученную смесь можно также добавлять нефть или мазут. Таким образом, за счет вариации компонентов, интенсивности обработки каждого из них и композиции в целом получают экологически чистое жидкое топливо заданного качества. Оно может быть использовано и как основное топливо, и в качестве растопочного. Опыт сжигания композитного топлива оказался весьма успешным.

В докладе Г.Н. Делягина “Экологически чистое топливо ЭКО-ВУТ – путь резкого улучшения экологической ситуации в энергетике России (ГУП “Научно-производственное объединение “Гидротурбопровод”, Москва) предложено в эксплуатируемых ныне котлах ТЭС и котельных взамен природного газа использовать водоугольное топливо, создаваемое на основе угля, со свойствами, необходимыми потребителям. Топливо ЭКОВУТ – это дешевое, экологически чистое топливо, технология производства которого создана в последнее десятилетие в НПО “Гидротрубопровод”. В процессе производства этого топлива, в результате механохимической активации его начальных компонентов, практически полностью разрушается структура угля как природной “горной” массы. Уголь распадается на отдельные органические и минеральные компоненты с высокой химической активностью поверхности, образующейся при такой обработке твердого топлива. Исходная вода, имеющая ассоциированную структуру, при производстве ЭКОВУТ также претерпевает ряд превращений, в результате чего образуется дисперсионная среда, насыщенная ионными компонентами. Таким образом, топливо ЭКОВУТ – это не механическая смесь угля с водой, а коллоидная дисперсная топливная система, в которой по существу нет ни угля, ни природной воды. В нем нет балластных компонентов – все компоненты такого топлива активны. Топливо ЭКОВУТ производится из углей любой марки (каменных, бурых и антрацитов) и любой зольности (до 50% на сухую массу) и может быть использовано в топочных устройствах любого типа, включая камерные топки, топки с кипящим слоем и др. Это высокостабильное топливо, взрыво- и пожаробезопасное; при длительном его хранении в емкостях-хранилищах никогда не образуется плотного осадка.

При сжигании ЭКОВУТ в продуктах сгорания отсутствуют монооксид углерода, вторичные углеводороды, сажа и канцерогенные вещества; резко сокращается образование и выброс микронных твердых частиц, оксидов серы и оксидов азота. Уровень выбросов оксидов азота, как правило, не превышает 0, 08-0, 1 г/МДж, что составляет 50-60% от допустимого уровня. Цена топлива ЭКОВУТ существенно зависит от цены исходных сырьевых компонентов (угля, воды, химреагентов). Доля исходного угля (в расчете на 1 т у.т.) в стоимости топлива ЭКОВУТ составляет 40-60%. Итоговая стоимость (в расчете на 1 т у.т.) топлива ЭКОВУТ, готового к употреблению и не требующего какой-либо подготовки у потребителя, превышает цену исходного угля (также в расчете на 1 т у.т.) всего на 5-18%. По данным за 1999 г., при цене исходного каменного угля у потребителя, равной 300 руб./т (460 руб./т у. т.), цена топлива ЭКОВУТ составит от 290 до 325 руб. за 1 т (480-540 руб./т у.т.). Технология приготовления и сжигания ЭКО-ВУТ отработана на ряде ТЭС России, в том числе на Иркутской ТЭЦ-11, Семипалатинской ТЭЦ-2 и др. Способ сжигания топлива ЭКОВУТ в кипящем слое отработан на отопительном котле НР-18 котельной в п. Ульянино Московской области. Котел, работающий на топливе ЭКОВУТ, сдан в постоянную эксплуатацию. Сжигание топлива в кипящем слое было рассмотрено в ряде докладов. Опыту сжигания углей и горючих отходов на экспериментальном промышленном котле УГТУ с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) было посвящено сообщение сотрудников Уральского государственного технического университета (УГТУ) А.П. Баскакова, С.В. Дюкина и др. Котел с ЦКС УГТУ тепловой мощностью 11, 6 МВт рассчитан на сжигание в режиме ЦКС ряда видов углей: березовского Б-2, кузнецкого Т, буланашского Г, отходов обогащения богословского угля. Полученные при опытном сжигании данные были использованы при разработке проекта реконструкции котла КВТС-10. Разработан малогабаритный котел с кипящим слоем мощностью 1 МВт, специально предназначенный для установки в существующих слоевых котельных для дожигания шлака и уноса, выходящих из топки основного котла.

О проблемах экологической безопасности при сжигании низкосортных топлив и утилизации горючих отходов в топках с кипящим слоем говорилось в докладе сотрудников Уральского государственного технического университета Б.В. Берга и др. Приведены экспериментальные зависимости концентрации оксидов азота в дымовых газах от температуры кипящего слоя и коэффициента избытка воздуха при сжигании нерюнгринского и кизеловского каменных углей. Установлено, что концентрация оксидов азота в дымовых газах возрастает с увеличением температуры кипящего слоя. В то же время присутствие серы в топливе заметно снижает выход оксидов азота, так как одновременно с их образованием они расходуются на доокисление оксидов серы:

2 NO + 2 SO2 = N2 + 2 SO3;

2 NO + SO2 = N2O + 2 SO3.

Использование технологии низкотемпературного кипящего слоя позволяет в значительной степени решить проблему снижения выбросов оксидов серы в атмосферу. Для этого в кипящий слой вводят соответствующие присадки (известняк или доломит), связывающие серу в сульфат по реакциям:

CaCO3 = CaO + CO2; CaO + SO2 + 0, 5 O2 = СaSO4.

Были рассмотрены возможности с помощью кипящего слоя подавить образование диоксинов. Средние выбросы диоксинов от тепловых электростанций, по данным авторов, составляют 2, 5 нг/м3, что в 2, 5 раза выше допустимых. Однако необходимо отметить, что по общим объемам выбросов диоксинов тепловые электростанции стоят на четвертом месте среди различных источников (устройств индивидуального отопления, старых мусоросжигательных установок и автотранспорта) и доля их составляет 0, 13% (без учета энергопредприятий, сжигающих различные отходы). По мнению авторов доклада, низкий уровень содержания диоксинов в продуктах сгорания можно получить при одноступенчатом сжигании топлива (и отходов) в топках с кипящим слоем, но для этого необходимо обеспечить такой режим, при котором увеличилось бы время пребывания продуктов горения в пределах слоя.

Новая технология сжигания углей с высокотемпературным предварительным подогревом угольной пыли, разработанная в Сибирском теплотехническом научно-исследовательском институте (ОАО “СибВТИ”), была представлена в докладе В.В. Белого и др. По этой технологии достигается снижение выбросов оксидов азота за счет предварительного подогрева угольный пыли до 850 град. С в условиях восстановительной среды, когда азот переходит в свободное состояние (№2), с последующим ступенчатым сжиганием горячей угольной пыли. На основании полученных опытных данных спроектирован опытно-промышленный котлоагрегат на Минусинской ТЭЦ, который должен иметь следующие показатели по выбросам (мг/нм3): оксиды азота – до 200 оксиды серы – до 300, зола – до 50, т.е. укладываться и в старые, и в новые нормы, а также соответствовать лучшим международным стандартам. Опытно-промышленный котлоагрегат Минусинской ТЭЦ предназначен для отработки и демонстрации данной новой технологии сжигания топлива и очистки газов. При успешном его освоении предложенная технология может получить широкое распространение на тепловых электростанциях.

Об экологически чистой ТЭС с каталитическим сжиганием газового топлива шла речь в докладе А.И. Поливоды и др. (МЭИ, УТЕХ). В ЭНИН и в МЭИ выполнен большой объем научно-исследовательских работ, направленных на разработку экологически чистой каталитической теплоэлектростанции (КТЭС), обеспечивающей полное исключение выбросов вредных веществ в воздушный бассейн благодаря сжиганию топлива в присутствии катализатора. Применение катализаторов позволяет проводить беспламенное глубокое окисление топлива при температурах в реакторе в пределах 600-800 град. С.

Каталитические реакторы можно подразделить на два типа: первый – с фиксированным катализатором и теплопередачей к рабочему телу посредством инфракрасного излучения и второй – с псевдоожиженным кипящим слоем. Фиксированные катализаторы применяют преимущественно для топливно-воздушных смесей, содержащих газовое и парообразное топливо. В реакторах с псевдоожиженным кипящим слоем окисление газообразного или жидкого топлива происходит кислородом воздуха во взвешенной массе гранул диаметром 2-4 мм. В качестве материала гранул применяют гамма-оксид алюминия. В настоящее время ведутся опытно-конструкторские работы по сооружению первой экспериментальной КТЭС мощностью 2 МВт для электротеплоснабжения автономного микрорайона Куркино в Москве. Применение каталитических электростанций вместо низкоэффективных старых котельных позволит значительно улучшить экологическую обстановку в городе. Вопросам сооружения парогазовых установок (ПГУ) на ТЭС были посвящены два доклада – доклад сотрудников МЭИ В.Д. Бурова и др. “Улучшение экологических характеристик ТЭС при использовании ПГУ с параллельной схемой” и доклад сотрудников Саратовского научного центра РАН Р.З. Аминова и др. “Эффективность сооружения ПГУ и концепция устойчивого развития”. Сегодня ПГУ рассматриваются как одно из наиболее перспективных направлений повышения эффективности использования газового топлива на ТЭС.

Ряд докладов был посвящен энерготехнологическому использованию твердых топлив на базе ТЭС. Об энерготехнологической переработке угля в энергетическом комплексе с соблюдением экологических требований говорилось в докладе П.А. Щинникова (Новосибирский государственный технический университет); о перспективной технологии использования горючих сланцев в энергетике шла речь в докладе В.В. Демкина и О.П. Потапова (РАО “ЕЭС России”, ЭНИН). Сегодня в связи с ожидаемым ростом масштабов потребления твердых топлив на ТЭС у энергетиков снова возрастает интерес к вопросу их более эффективного использования, в том числе с переходом на комплексные энерготехнологические схемы.

Вторая группа докладов – относящаяся к тематике “Экологически чистые технологии при использовании возобновляемых источников энергии” – охватывала: геотермальные энергетические технологии (доклад О.В. Бритвина, О.А. Поварова и др. от РАО “ЕЭС России”, НУЦ “Гео” МЭИ, АО “Геотерм”); совместное скоординированное использование солнечной и геотермальной энергии (Г. Эрдманн и Я. Хинрихсен – Берлинский технический университет); использование тепловых насосов для теплоснабжения автономных потребителей (Г.В. Ноздренко и др. – НГТУ, ОАО “Новосибирскэнерго”).

В докладе о тепловых насосах рассмотрена усовершенствованная комбинированная система выработки электроэнергии и теплоты путем размещения на внутриквартальном тепловом пункте (удаленном от ТЭЦ) абсорбционных бромисто-литиевых тепловых насосов. Подобная схема, помимо существенного снижения расхода топлива на теплоснабжение, имеет целый ряд преимуществ по сравнению с традиционными схемами, в том числе лучшие экологические характеристики.

На данной секции Конференции были сделаны доклады и сообщения также по ряду других вопросов и проблем, связанных с экологией энергетики, в том числе по совершенствованию энергетических вихревых горелок (Б.В. Берг и др. – УГТУ); охране окружающей среды при транспортировке и хранении твердого топлива на тепловых электростанциях (В.В. Демкин и В.И. Казаков – РАО “ЕЭС России” и УралВТИ); способам утилизации энергии транспортируемого природного газа без выбросов вредных веществ в окружающую среду (В.С. Агабабов и др. – МЭИ, ТЭЦ-21 Мосэнерго, Мосэнергопроект); оценке эффективности технологических природоохранных мероприятий для газомазутных котлов (Л.Е. Егоров и др. – МЭИ); альтернативным системам хранения природного газа в абсорбированном состоянии (Л.Л. Васильев и др. – Институт тепломассообмена им. Лыкова); совершенствованию методов эксплуатационного контроля технического состояния оборудования турбоустановок для снижения пережога топлива и вредных выбросов ТЭС (Е.В. Дорохов и др. – МЭИ).