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.