Особенности природоохранных мероприятий на ТЭС

1. Перспективные направления развития природоохранных технологий

В мире (и, в частности, в нашей стране) обозначилась тенденция к перераспределению общего топливного баланса, где доля использования твердых топлив, по отношению к жидким и газообразным, возрастает главным образом за счет более широкого вовлечения в энергобаланс низкосортных углей [21, 78]. Причина этого лежит в ограниченности мировых запасов нефти и газа по сравнению с углем с одной стороны, и в возможностях создания технологий сжигания угля, удовлетворяющих жестким экологическим требованиям, с другой.

В нашей стране крупнейшими из эксплуатируемых месторождений бурого угля являются канско-ачинские. Их использование во многом определяет энергетическую политику государства. Поэтому предполагается дальнейшее развитие канско-ачинского энергетического комплекса (КАТЭКа) [60, 65], включая и социальную инфраструктуру региона вместе с ее тепловыми потребителями. Кроме того, угли бассейна используются почти по всей территории Сибири и Дальнего Востока, часто в крупных промышленных центрах на ТЭЦ. В этой связи следует отметить, что снабжение ряда сибирских ТЭС канско-ачинскими углями (КАУ) характеризуется резким изменением качества поставляемого топлива относительно проектного [88]. В свою очередь, при поставках несортового топлива на ТЭС, не приспособленных к надежному его сжиганию, нарушается надежность работы оборудования, надежность энергообеспечения, ухудшаются экологические показатели, экономичность, оборудование быстрее стареет, снижается безопасность его эксплуатации. Это требует проведения комплекса работ по усреднению качественных характеристик топлива либо на месте добычи, либо, путем обогащения, в технологической схеме топливоподготовки ТЭС. При этом экологическая обстановка как в целом на КАТЭКе, так и в отдельных городах крайне тяжелая [60, 65, 69].

Таблица 1.Развитие электроэнергетической системы Сибири

Положение усугубляется тем, что парк энергетического оборудования в значительной степени морально и физически устарел. Мощность морально устаревшего оборудования в стране более 5 млн. кВт при удельных расходах топлива более 400 г/кВтч, причем значительная часть этого оборудования сосредоточена в Сибирьэнерго [31].

Предполагаемое развитие электроэнергетической системы Сибири показано в табл.1, откуда видно, что основное направление для обеспечения роста электротеплопотребления Сибири - строительство ТЭЦ. В то же время прогнозируемая добыча угля на КАТЭКе в 2000 г. должна составлять 110...115 млн. т/год против 60 млн. т/год в 1990 г. из которых 70% потребляет Минэнерго [60].

В то же время, в условиях увеличения потребления угля электростанциями, для предотвращения только увеличения суммарного выброса в окружающую среду вредных веществ потребуется значительное улучшение экологических показателей [132] (на базе создания новых технологий сжигания твердых топлив) не только вновь вводимых мощностей, но и действующих, так как существующий в настоящее время уровень очистки является недостаточным. Создание таких технологий особенно актуально для крупных промышленных центров с их теплоцентралями.

Отличительной особенностью ТЭЦ является комбинированная выработка электрической и тепловой энергии. Это определяет их строительство вблизи потребителей тепла, что всегда предполагает развитую жилищно-коммунальную и бытовую инфраструктуру. Именно выработка тепла и близость густонаселенных жилых районов определяет остальные особенности ТЭЦ - по выбору промплощадки, установленной и единичной мощности, несению нагрузки, включению в единую энергосистему (ЕЭС), резервированию мощности и др. Причем особенное значение приобретают такие факторы (особенно для крупных городов) как сложившаяся схема тепловых, транспортных, кабельных и др. коммуникаций, водоснабжение, фоновые загрязнения, роза ветров, другие. Сегодня, в связи с переходом к рыночной экономике, появились новые факторы требующие учета. В первую очередь - это вопросы финансирования всех видов работ от проектирования до строительства. Кроме того, часть предприятий, выпускающих энергетическую продукцию, волею судеб оказалась за границей, что, если и не ограничивает возможности выбора оборудования, то, как минимум, увеличивает капиталовложения за счет таможенных пошлин. Нельзя не отметить и возросшую роль социального фактора, так как сегодня сила общественного мнения порой может повлиять на принятие решения. С другой стороны, требования предъявляемые к экологически чистой ТЭС в какой-то мере решают вопросы безопасности граждан, на что в конечном счете влияет загрязнение окружающей среды [83], но, тем самым, осложняют (и без того непростую) проблему финансирования, так как добиться требуемой очистки выбросов без значительных финансовых затрат не представляется возможным. В то же время, нельзя забывать и возможность (а может быть и необходимость) энергообеспечения городов с учетом мнения населения, так как именно люди являются конечными потребителями электроэнергии и тепла. Такой подход предполагает наличие альтернативных вариантов энергоснабжения и еще более осложняет проблему финансирования как с точки зрения проработки нескольких альтернатив, так и с точки зрения проведения процедур по выяснению общественного мнения.

Доля загрязнения окружающей среды от действия ТЭЦ в значительной мере определяется совершенством котельного, паросилового и вспомогательного оборудования. Примечательно, что паросиловое оборудование и сопутствующие ему вспомогательные механизмы, включая и систему охлаждения конденсатора, оказывает лишь тепловое воздействие на окружающую среду и с дренажной водой через различные протечки охлаждающих жидкостей и смазывающих веществ. В то же время, от работы котельного оборудования, включая системы топливоподготовки и очистки дымовых газов, в основном зависит степень загрязнения окружающей среды. Главным образом, это связано с выбросом в атмосферу продуктов сгорания с температурой 120...150 ^ОС, аэрозольная часть которых в значительной степени осаждается на землю с осадками, а газовая часть может вступать во взаимодействие с атмосферной влагой, кислородом или другими элементами воздуха. Такие выбросы, кроме непосредственного воздействия на окружающую среду вблизи энергоисточника, в конечном итоге, приводят к образованию так называемых “кислотных дождей”, утонению озонового слоя Земли, увеличению толщины облачного покрова и возникновению парникового эффекта [117], и охватывают территории, расположенные за сотни, а то и тысячи [15] километров от источника выбросов. Вместе с тем, нежелательными экологическими факторами действия угольных ТЭС являются золоотвал, загрязнения с химводоочистки, промывок, другие относительно мелкие утечки от различных вспомогательных служб (мазутное хозяйство, склад ГСМ, гараж, газогенераторная, аккумуляторная, РММ и т.д.).

Очевидно, что элементная база создания новых технологий является одним из решающих факторов снижения вредных выбросов от действия ТЭС. В этой связи можно выделить два направления развития. Первое - это создание развитых систем серо-, азото- и золоочистки дымовых газов, в том числе и с утилизацией отходов в виде производства продукции для сельского хозяйства и стройиндустрии, и второе - это получение минимального содержания вредных веществ в дымовых газах за счет совершенствования топочных процессов, в том числе и создания развитых систем термической подготовки топлива.

2. Системы очистки дымовых газов - как элементная база создания новых технологий

2.1 Общие сведения

Как уже отмечалось выше, дымовые газы являются основным источником загрязнения от действия ТЭС. Содержание вредных веществ в них определяет не только состояние атмосферы, но во многом и состояние почвы и водного бассейна, влияет на жизнь флоры и фауны и, конечно, человека. Именно через атмосферные выбросы вокруг городов Ачинска, Назарово, Канска сложились ареалы техногенного изменения окружающей среды диаметром до 20...30 км, где сильно нарушена структура почв, растительности, био- и микроценозов [60]. Особенно тяжелая ситуация сложилась в крупных промышленных центрах Сибири. В г. Ачинске, например, только глиноземный комбинат выбрасывает в атмосферу ежегодно около 160 тыс. т пыли, 22 тыс. т сернистого газа, 14,5 тыс. т оксидов азота. Аналогичная обстановка и в Новокузнецке, Назарово, Прокопьевске, Кемерово и ряде других городов [60, 65, 92].

Из всей гаммы токсичных веществ, находящихся в дымовых газах, наибольшую опасность представляют зола, двуокись серы (SO₂) и окислы азота (NO_Х). Выбросы именно этих веществ регламентируются жесткими нормами (Лекция№1, табл.1).

Существуют разные способы и системы очистки дымовых газов. Часто (для золы всегда) это аппараты, устанавливаемые после конвективных поверхностей нагрева котлов.

2.2 Выбросы золы и очистка от них

Зола представляет из себя твердые частицы негорючих элементов угля. В основном - это оксиды кремния (SiO₂), железа (Fe₂O₃), алюминия (Аl₂O₃), магния (MgO), кальция (СаО), серы (SO₃) и некоторые другие, в том числе незначительное количество мышьяка и тяжелых металлов (свинец, ванадий, хром, цинк). Для разных углей элементарный состав золы может значительно отличаться друг от друга. Например, в КАУ (в отличие от каменных углей Кузнецкого бассейна) окись кальция является одним из основных компонентов, но даже и для КАУ содержание СаО колеблется от 26 до 42,5% в зависимости от месторождения и разреза [88].

Однако, основной параметр, характеризующий золовые частицы - это их размеры или дисперсность. Они колеблются в широких пределах - от десятых и сотых долей микрона до 100 мкм и более, и зависят от способа сжигания.

Следует отметить, что наибольшую опасность для человека представляют частицы размером 0,5...5 мкм, более крупные задерживаются в полости носа, более мелкие - выдыхаются. Содержание именно этого диапазона частиц в приземном слое атмосферы способствует возникновению у человека болезненных симптомов, вплоть до повышения смертности, (табл.1.4).

Аппараты золоочистки, точнее - уловители аэрозолей, и диапазон размеров улавливаемых ими частиц показан на рисунке 1.

Кроме представленных на рисунке, существует ряд перспективных пылеулавливающих устройств. К ним относятся: конденсационный пылеуловитель, в котором применены два механизма осаждения (во-первых, укрупнение частиц при конденсации на них паров из парогазовой смеси путем смешения очищаемых газов с паром, во вторых - частицы (при охлаждении парогазовой смеси) захватываются потоком пара, диффундирующим к центрам конденсации (каплям охлаждающей жидкости) или охлаждающим поверхностям. Таким способом можно осадить даже субмикронные частицы.

В другой установке водо-инерционного типа на орошение подается вода под давлением 240 бар с температурой около 205^О С. Распыливаясь через сопло, она образует двухфазную среду: пар - жидкие капли, при этом капли разгоняются до 300 м/с, и, благодаря инерции, на них осаждаются частицы, в том числе и размером менее 1 мкм [15]. Перспективной сухой золоочисткой являются роторные зернистые фильтры. Они предназначены для очистки газов с температурами до 300^О С от неслипаемой и слабослипаемой пыли. В качестве зернистого материала используются керамические и стеклянные шарики, крупнозернистый песок, отсевы щебенки и т.п. КПД такого фильтра может составлять 95...99,8% в зависимости от концентрации пыли в очищаемом газе, при этом концентрация пыли в очищенном газе не будет превышать 0,05...0,1 г/м³ [60].

Рис. 1. Аппараты для улавливания взвешенных частиц

В последнее время особое внимание уделяется возможностям золоуловителей подавлять окислы серы и азота путем ввода в орошающую воду разных добавок. В разных случаях (в зависимости от вида топлива, его качества, режима работы котла, типа присадок и способа их ввода и т.п.) можно снизить эти выбросы на 10...20%. [23, 30, 78] Правда, при этом стенки золоуловителей, как правило, подвергаются либо коррозии, либо отложениям и для защиты от этого требуют гуммирования (покрытие эластичным материалом). В этом случае, например, обычный циклон или циклон Вентури превращается в сложную и дорогую установку [78], при этом продукты, полученные в результате подавления, вместе с золой попадают в отвал, увеличивается щелочность или кислотность воды (для гидрозолоудаления) и, в целом, увеличивается вредное воздействие отвала на среду.

2.3 Методы химической очистки дымовых газов

Выбросы серы и очистка от них

Твердое топливо может содержать серу в следующих формах: колчедана Fe₂S и пирита FeS₂ в составе молекул органической части топлива и в виде сульфатов в минеральной части. Соединения серы в результате горения превращаются в оксиды серы, причем около 99% составляет сернистый ангидрид SO₂, остальная часть выделяется в виде триоксида серы SO₃ либо сульфатов СаSO₄.

Наиболее распространенными методами сероочистки являются следующие:

мокрый известняковый (известковый) способ [23, 34, 95, 101,103];

мокро-сухой способ [6, 30, 34];

магнезитовый циклический способ [10, 33];

аммиачно-циклический способ [7, 78];

сухой известняковый (аддитивный) способ [27, 34].

В их основе лежит использование реагента для связывания оксидов серы. В качестве такого вещества чаще всего выступает известняк СаСО₃ (карбонат кальция) или известь Са(ОН)₂ (гидрат оксида кальция), так как они являются наиболее дешевыми щелочными реагентами. КПД сероподавления лежит в пределах 80...90% при разнице в затратах для “мокрых” способов (с учетом эксплуатационных издержек) на уровне 20% [10].

При относительно равных возможностях сероподавления и равных затратах на производство и эксплуатацию вид, сероочистки должен определяться как свойствами используемого угля, так и свойствами его золы. Для КАУ, например, при высоком содержании Са в золе, неприемлемы “мокрые” способы сероподавления из-за образования в аппаратах сероочистки трудноудаляемых отложений гипса. В то же время, “сухой” известняковый способ является наиболее простым и требует минимальных капиталовложений.

Сущность способа заключается в добавлении к сжигаемому топливу известняка или доломита в количестве, примерно в два раза превышающем стехиометрически содержание серы в исходном топливе. В топке под воздействием температуры известняк диссоциирует на углекислоту и оксид кальция, а последний взаимодействует с сернистым ангидридом:

CaCO₃ ^tCaO+CO₂

CaO+SO₂+1/2O₂ CaSO₄

В результате образуется сульфат кальция, который вместе с золой улавливается в золоуловителях. В канадской энергосистеме ONTARIO HYDRO на основе этого способа разработана технология SONOX [27] для одновременного снижения выбросов окислов серы и азота при КПД сероподавления - 80%, азотоподавления - 90%.

Выбросы азота и очистка от них

Источником оксидов азота на ТЭС является молекулярный азот воздуха и азотосодержащие компоненты топлива. Первые часто называют "термические", вторые - "топливные" оксиды азота.

Совокупность явлений, происходящих при окислении азота воздуха, может быть описана на основании теории Н.Н.Семенова - Я.Б.Зельдовича - Д.А.Франк-Каменецкого [59, 106]. Условием окисления азота воздуха является диссоциация молекулы кислорода воздуха под действием высоких температур (более 1473 К), идущая с поглощением теплоты:

О₂О+О-495 кДж/моль.

Атомарный кислород реагирует с молекулой азота, а образовавшийся в результате эндотермической реакции атомарный азот вступает в экзотермическую реакцию с молекулярным кислородом:

N₂ONO+N-314 кДж/моль;

O₂+N=NO+O+134 кДж/моль;

N₂+O₂=2NO-180 кДж/моль.

В последние 5...8 лет вопросам образования оксидов азота уделялось большое внимание [29, 49, 53, 55, 59, 78, 86, 132]. Кроме “топливных” и “термических” оксидов в зоне температур ниже 1800 К (за пределами ядра факела) образуются “быстрые” оксиды азота. Их содержание во многом определяет минимальный выход оксида азота в зоне горения [97-99]. “Топливные” оксиды образуются на начальном участке факела при температурах около 1000 К. При этом, относительно большое влияние “топливных” оксидов азота имеет место в котлах малой мощности, для которых температуры в ядре факела невысоки и образование “термических” оксидов по этой причине незначительно.

Методы химической очистки газов от NO_Х бывают:

окислительные, основанные на окислении оксида азота в диоксид с последующим поглощением различными поглотителями;

восстановительные, основанные на восстановлении оксида азота до азота и кислорода с применением катализаторов;

сорбционные, основанные на поглощении оксидов азота различными сорбентами (цеолитами, торфом, коксом, водными растворами щелочей и др.).

Применительно к очистке дымовых газов котлов наиболее перспективны восстановительные методы. Один из них - метод восстановления с помощью аммиака. Этот метод основан на взаимодействии аммиака с оксидами азота при определенных температурах по следующим основным реакциям:

4NO+4NH₃+O₂4N₂+6H₂O;

6NO+8NH₃7N₂+12H₂O.

При высоких температурах (900...1100^О С) они протекают без катализаторов. Дозирование аммиака осуществляется в зависимости от режимов работы котла, чтобы исключить его проскок в атмосферу (на практике полностью исключить проскок аммиака не удается и он может составлять 3,8 мг/м³ [25]). При более низких температурах (573...723 К) реакция разложения оксидов азота протекает только в присутствии катализатора. В качестве катализаторов используются оксиды различных металлов (титан, хром, ванадий). Они наносятся на элементы с развитой поверхностью, выполненные в виде сот, гранул или пластин.

В связи с опасностью использования аммиака (высокая токсичность), и необходимостью специальных мер защиты персонала, за рубежом, в частности в Германии [25], проходят промышленные испытания установки с использованием вместо аммиака карбамида, по другому мочевины (NH₂)₂СО. Степень восстановления оксидов азота достигает 80...90%.

Следует отметить, что в последнее время наибольшее внимание уделяется таким методам, которые позволяют одновременно снижать выбросы не только оксидов азота, но и серы. В этом направлении изучаются возможности традиционных способов очистки и ведутся работы по созданию новых и в нашей стране и за рубежом.

Обобщая обзор по химическим методам очистки дымовых газов имеет смысл отметить присущие им недостатки, в связи с чем, они не могут считаться безусловно перспективными:

сложность, а подчас и громоздкость агрегатов, так как, почти во всех случаях, химическая очистка - это сложное производство, требующее не только специального оборудования, но и специальной квалификации обслуживающего персонала;

высокая агрессивность рабочих сред и, как следствие, коррозионно-эррозионный износ даже легированных сталей марок Х15, Х18Н10Т, Х17Н13М2Т и т.п.;

наличие трудноудаляемых отложений в трубках, тройниках, коленах, переходах и т.п.;

ненадежная работа арматуры;

по вышеназванным причинам, ненадежная работа установок в целом;

дороговизна.

Следует отметить, что утилизация выбросов дымовых газов в виде серной и азотной кислот, аммонийных удобрений ((NH₄)₂ SO₄ - сульфат аммония и NH₄NO₃ - аммиачная селитра), гипса или других продуктов не может рассматриваться как безусловное достоинство современных методов очистки еще и по экономическим причинам, кроме вышеперечисленных. Достоинством, скорее, является возможность такой утилизации.

Выводы

В условиях роста потребления твердых ископаемых топлив, по комплексу экономических, технологических, экологических и физико-химических свойств, следует считать перспективным использование КАУ, в том числе и в крупных городах на ТЭЦ.

В условиях высокого загрязнения окружающей среды, сложившихся в крупных промышленных регионах, необходимо создание новых технологий сжигания угля удовлетворяющих жестким экологическим требованиям.

Химические методы очистки дымовых газов не могут считаться безусловно перспективными из-за большого количества недостатков.

Из-за высокого содержания в золе КАУ кальция (до 43% [88]), при использовании химических методов очистки дымовых газов от сернистого ангидрида, следует отдавать предпочтение “сухим” методам очистки.

Оптимальной золоочисткой для КАУ можно считать комбинацию циклона с электрофильтром, при условии, что КПД этих устройств обеспечит суммарный выброс аэрозолей 50 мг/м³.