Федоров С.А. Экология энергетики

Подождите немного. Документ загружается.

использования угля, то в России наблюдается обратная картина: в

настоящее время на угле вырабатывается менее 19 % электрической

энергии, производимой в стране, происходит вытеснение наиболее

стабильного и недефицитного энергоресурса из структуры произ-

водства электрической энергии.

В то же время США, например, вырабатывают с использовани-

ем угольного топлива свыше 55 % своей электроэнергии, Герма-

ния — 55,1 %, Великобритания — 50 %, Япония — 20 %.

По данным исследовательских организаций США и Японии, со-

временное производство 1 кВт • ч электрической энергии на угле

дешевле, чем на нефти — на 77 % в США и на 30 % в Японии, и де-

шевле, чем на газе — на55и19% соответственно. Оно даже дешев-

ле,

чем на АЭС, поэтому 36 из 60 новых ТЭС Америки, ориентиро-

ванных на использование горючих ископаемых, будут работать на

угле.

В Германии из сооружаемых в 1995—1999 гг. электростанций

66,2 % генерирующих мощностей приходилось на угольные ТЭС.

ТЭС экономически развитых стран используют при производст-

ве электроэнергии и для других целей в основном качественные уг-

ли с низкой зольностью от 5,5 до 15 % и высоким энергосодержани-

ем (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Угольные энергетические ресурсы

Страна, год

Доля угля

в топливно-

энергетическом

балансе, %

Энергетическая ценность,

МДж/кг

Россия:

1990

1995

2000—2010 (прогноз)

20,7

18,3

18,5

18,7

18,3

СД1А, 1990

55,9

22,4—31,4

Германия, 1990

55,1

24,4—31,0

Англия, 1990

54,0

19,3—25,5

Япония, 1990

20,0 25,1—35,5

Австралия, 1993

88,0

22,4—25,5

КНР, 1990

59,0

19,7

Среди сдерживающих факторов особо стоит отметить стои-

мость железнодорожных перевозок. Так, в России для удаленных

потребителей угля (Хабаровский и Приморский края, Поволжье и

центр России) доля транспортных расходов в конечной цене на

уголь превышает 70 %.

Углепользование России ориентировано на производство и по-

требление в энергетике угольного топлива валовой добычи, так на-

зываемого рядового угля или угля-сырца. 49 % добываемого топли-

ва направляется потребителю прямо из карьера. Лишь 40 % энерге-

тических углей подвергается облагораживанию на обогатительных

фабриках.

Обогащение позволяет снизить затраты на транспортировку то-

плива, уменьшить эксплуатационные расходы, снизить инвестиции в

строительство и реконструкцию электростанции, решать на эконо-

мически приемлемой основе проблему экологически чистого произ-

водства электроэнергии.

В пределах Российской Федерации установлено немало угле-

носных отложений различного возраста и углегшотности. Разведан-

ные и предварительно оцененные запасы сосредоточены в 22 уголь-

ных бассейнах и 114 месторождениях, которые имеют широкое и

неравномерное территориальное распространение. Большая их

часть, особенно пригодная для разработки открытым способом, рас-

положена в Западной и Восточной Сибири, а также на Дальнем Вос-

токе.

Таблица 3.2

Структура топливного баланса ТЭС в 1990—1997 гг.

Год 1990 1991 1992 1993

1994 1995 1996

1997

Твердое топливо

29,4 27,5 26,1

27,0 27,3

27,7

28,7 28,6

Газ

58,5

59,2

61,4

61,9

61,8

61,4 61,7

62,6

Нефтетопливо 12.2

13,3

12,4

11,0 10,8 10,8

9,5

8,8

Современный период характеризуется падением добычи газа в

России. В 1998 г. ОАО «Газпром» добыло 553,7 млрд м

, что на 7 %

ниже уровня 1990 г. Суммарное потребление газа промышленно-

стью России к 2010 г., согласно прогнозу, сохранится на сущест-

вующем уровне, а к 2020 г. возрастет примерно на 17 %. Поставки

газа электростанциям будут сокращаться за счет роста использова-

ния мазута и, прежде всего, угля и стабилизируются к 2010 г. на

уровне ПО млрд м

. Прогнозируемые объемы добычи обеспечивают

долю газа в структуре потребления ТЭК России на уровне 43,3 % в

2010 г., с последующим снижением до 42,7 % в 2020 г.

Соотношение цен на газ, мазут и уголь в России не соответству-

ет реальной стоимости энергоресурсов и соотношению тех же цен за

рубежом. Цены на газ на внутреннем рынке (в расчете на 1 тут) ни-

же цен на мазут в 3 раза, угля — в 1,6 раза и в 8—12 раз ниже, чем в

странах Европы и Америки.

Удельный вес газа в структуре потребления энергоресурсов

России в настоящее время вырос до 50 %, а в коте л ьно-печном топ-

ливе — до 68,3 %. В США, Италии, Канаде и Англии доля газа в по-

треблении первичных топливно-энергетических ресурсов не превы-

шает 30 %, а во Франции и Германии она — даже ниже 20 %.

4. Техника и методы очистки выбросов

угольных ТЭС

Для угольных ТЭС предложено шесть основных путей сниже-

ния выбросов:

— замена топлива или его обогащение;

— промывание угля;

— сжигание в псевдоожиженном слое;

— использование скрубберов и фильтров;

— использование альтернативных источников энергии;

— экономия энергии.

Замена топлива

Существуют сорта угля с низким содержанием серы. Однако

переход на них зависит от экономических факторов. Кроме того,

некоторые низкосернистые угли обладают меньшей теплотой сгора-

ния, поэтому переход на них может не принести значительного со-

кращения выбросов.

Очистка угля до сжигания

Помимо использования дорогого угля с малым содержанием се-

ры выбросы диоксида серы можно уменьшить, если очищать уголь

от серы до сжигания. В угле сера содержится в двух формах: неор-

ганической и органической.

Неорганическая сера присутствует в виде пиритов, то есть

сульфидов металлов, в частности сульфида железа FeS02 — желез-

ного колчедана. Органическая сера химически связана с углеродом

природного угля. Для удаления неорганической серы достаточно

специальной промывки угля, в несколько этапов. Для удаления ор-

ганической серы требуется химическая обработка. Сера в виде пи-

ритов может составлять от 30 до 70 % общего содержания серы в

угле,

но обычно органическая и неорганическая сера присутствуют в

равных количествах.

Для очистки угля от неорганической серы его предварительно

дробят, чтобы обнажить жильные породы. Затем раздробленный

уголь смешивают с водой в большом резервуаре. Пирит имеет

большую плотность, чем уголь, и поэтому оседает на дно быстрее.

Очищенный уголь собирают в верхней части резервуара. Промыв-

ка— один из наиболее эффективных способов очистки добытого

угля от большей части содержащихся в нем пиритов.

Один из методов химической очистки — обработка мелко раз-

дробленного угля водой, содержащей гидроксиды натрия и кальция.

После такой обработки при высоких давлении и температуре уголь

очищается от большей части пиритов и половины органической се-

ры — эти примеси остаются в растворе. Затем уголь промывается и

сушится, после чего он готов к употреблению. Такой уголь можно

сжигать без необходимости затем улавливать диоксид серы из выхо-

дящих в трубы газов.

Другой способ — очищение угля в растворе — позволяет уда-

лять до 60 % серы. Добытый уголь смешивается с органическим рас-

творителем антраценом С4Н10. Примерно 95 % углерода растворяет-

ся в антрацене. Этот раствор подвергается действию высоких темпе-

ратуры и давления, а затем обрабатывается водородом. После этого

чистый уголь можно получить либо в твердом виде, либо в жидко-

сти.

Твердая фаза имеет зольность менее 1 %, в то время как золь-

ность необработанного угля —

8—20

%. Содержание серы стано-

вится меньше 1 %, а теплотворная способность возрастает на 30 %.

Очищающий уголь растворитель возвращается обратно в рабочий

цикл. Существенное уменьшение содержания серы позволяет ис-

ключить не только скруббирование (улавливание примесей из отхо-

дящих газов), но и электростатическое осаждение взвешенных час-

тиц.

Газоочистители. Скрубберы

Действие различных по конструкции газоочистителей основано

на химических реакциях диоксида серы. Образующиеся при этом

соединения можно либо сбрасывать в отходы, либо использовать как

продукт, находящий сбыт. Скрубберы— это жидкие фильтры

(рис.

4.1): газообразные продукты сгорания пропускаются через рас-

пыленный водный раствор извести. Диоксид серы реагирует с ней и

осаждается в виде нерастворимого сульфата кальция CaS0

+ СаСОз + 2Н

0 +

= CaS0

•

2Н

0 + С0

Рис. 4.1. Схема скруббера

Примерно 85 % газоочистителей, используемых в 1982 г., были

подобного типа. Дымовые газы не только очищаются от диоксида

серы (примерно на 80 %), но и на 90 % освобождаются от золы.

Правда, при этом дымовые газы настолько охлаждаются, что щ

приходится снова нагревать, чтобы обеспечить тягу в дымовых тру-

бах и выброс этих газов в атмосферу.

Образующиеся продукты очистки в виде густой массы можно

использовать. Из-за полужидкой консистенции отходов их трудно

напрямую применять в качестве материала при земляных работах.

Однако добавление летучей золы— еще одного вида отходов на

электростанциях— превращает скрубберные отходы в материал,

напоминающий глину.

Одни скрубберы производят серу высокой чистоты, другие —

разбавленную серную кислоту. Еще один вариант объединяет обо-

гащение и очистку угля и обработку скрубберами. Очистка угля от

минеральной серы требует небольших затрат, но ограничивается

удалением лишь той доли серы, которая содержится в пиритах. Если

эту долю серы удалить, а дымовые газы, образовавшиеся при сжига-

нии очищенного угля, пропустить через скруббер, то содержание

оставшегося диоксида серы будет соответствовать стандартам на

выбросы при умеренных затратах.

Типичной электростанции мощностью 1

ООО

МВт, работающей

на угле, требуется для размещения золы и скрубберных отходов

150—300 га, заполняемых в течение 30 лет.

В настоящее время применение скрубберов— общепринятая

технология.

Инжекция поглотителей

Это один из перспективных методов: сухие размолотые мате-

риалы, выступающие в качестве реагентов, инжектируются в отхо-

дящие газы. Диоксид серы реагирует с сухим поглотителем (сорбен-

том) и образует сухое сернистое соединение, которое затем удаляет-

ся в специальной камере.

ТЭС

с кипящим слоем

При этом способе (рис. 4.2) уголь также сжигается в топках

котлов, однако предварительно он смешивается с гранулированным

известняком и насыпается слоями на металлические поддоны. Воз-

дух для поддержания процесса горения подается снизу, через отвер-

стия в поддонах, и проходит через слои угля. Поток воздуха доста-

точно сильный, так что кусочки угля и известняка поднимаются над

поддоном, подобно пене на поверхности кипящей воды.

Рис. 4.2. Сжигание в кипящем слое

Известняк реагирует с диоксидом серы, образующимся при го-

рении угля. Получающиеся при этом мельчайшие частицы сульфата

кальция перехватываются потоком отходящих газов и удаляются

вместе с летучей золой, обычно в электростатических фильтрах.

Температура горящего угля в кипящем слое обычно ниже, чем в

обычной топке, поэтому при сгорании образуется меньше оксидов

азота. В итоге сжигание в кипящем слое уменьшает содержание ок-

сидов серы и азота, по сравнению с обычной топкой.

Методы борьбы с выбросами твердых частиц в атмосферу.

Электростатические пылеуловители (фильтры)

Рис. 4.3. Схемы электрического и вакуумного фильтров

Электрические фильтры (рис. 4.3, а) впервые были использова-

ны в 1923 г. в США для сбора летучей золы. При прохождении ды-

мовых газов мимо пластин фильтра, на которые подается высоко-

вольтное напряжение, частицы пыли ионизируются. Заряженные

частицы пыли притягиваются и оседают на заземленных металличе-

ских листах — коллекторах. Эти листы периодически очищаются с

помощью механической вибрации. Такие установки способны со-

брать до 99 % частиц, содержащихся в дымовых газах, и работать

малых расходах электроэнергии при максимально упрощенном об-

служивании.

Альтернативой электрическим фильтрам служат воздушные ва-

куумные фильтры (рис. 4.3, б) с мешком из ткани, наподобие меш-

ков,

используемых в пылесосах. Воздух в них всасывается через

слой плотной ткани, которая задерживает частицы. Воздушные ва-

куумные фильтры превосходят электрофильтры по эффективности,

надежности и стоимости.

Примеры практической работы систем очистки

В соответствии с законами по ограничению эмиссии, наряду с

фильтрами дымовых газов для улавливания пыли на электростанци-

ях Германии применяются устройства для очистки от диоксида серы

оксидов азота. Ниже в качестве примера рассмотрена работа ти-

пичной ТЭС мощностью 750 МВт.

В большой установке электрофильтра дымовые газы почти на

100%

очищаются от пыли. Задерживаемая пыль отправляется для

дальнейшей переработки на предприятия по производству стройма-

териалов.

Установка обессеривания располагается между фильтром-пыле-

уловителем и установкой очистки дыма от оксидов азота. Работа

установки обессеривания основана на химических реакциях (ис-

пользуется мойка известью); конечным продуктом реакций является

гипс.

Для удаления 1 кг

SO2

используется около 1 кг негашеной из-

вести, при этом получается около 3,3 кг гипса-сырца

(CaSC>4

•

2Н2О).

При работе станции на полную мощность в течение 1 ч используется

более 4,2 т извести, при этом получается около 14 т гипса.

Очищенный от пыли и серы дым пропускается через установку

очистки от оксидов азота. В присутствии аммиака NH3 и катализато-

ра при температуре 320—350 °С оксиды азота превращаются в азот

пары воды. Соты катализатора имеют основу из диоксида титана

ТЮ2 с добавками различных каталитически активных сочетаний ок-

сидов металлов.

На рис. 4.4, б представлено сжигание угля методом кипящего

слоя.