Зарубежные и отечественные программы в области экологически чистых угольных технологий

2. Отечественные программы

Анализ материалов энергетических организаций и большого числа конгрессов и конференций позволил сделать вывод о том, что дальнейшее развитие энергетики Российской Федерации может в перспективе сдерживаться не недостатком первичных энергетических ресурсов, а негативным воздействием объектов топливно-энергетического комплекса и энергопотребляющих установок на окружающую среду.

Устранить это потенциальное препятствие развитию энергетического хозяйства можно тремя основными путями:

- совершенствованием структуры топливно-энергетического баланса, увеличением в нём в экономически оправданных пределах доли энергоресурсов, оказывающих наименьшее негативное воздействие на окружающую среду;

- оснащением энергопроизводящих, энергопотребляющих предприятий очистными установками и сооружениями по утилизации отходов энергетического производства;

- повышением энергетической эффективности материального производства, снижением непроизводительных потерь топлива и энергии во всех сферах экономики на базе технического перевооружения основных производственных фондов.

В Российской Федерации, находящейся в переходном периоде от плановой системы ведения хозяйства к рыночным отношениям, важным направлением повышения эффективности в энергетике и, следовательно, снижения её негативного воздействия на экологию являются структурные изменения в народном хозяйстве, связанные с увеличением доли малоэнергоёмких производств и сферы услуг.

Для концентрации усилий научных, проектно-конструкторских, производственных организаций на решении указанных задач в 1989 году была разработана и начата реализация государственной научно-технической программы (ГНТП) «Экологически чистая энергетика» [7]. В программу были включены четыре основных направления: «Безопасная атомная станция», «Экологически чистая тепловая электростанция на твёрдом топливе», «Нетрадиционная энергетика», «Топливо будущего».

В течение 1991 г. программа была дополнена ещё пятью направлениями: экологически безопасная локализация радиоактивных отходов, подземные атомные электростанции, нетрадиционная концепция АЭС с естественной безопасностью, водородная энергетика и технология, энергетика и технология угольных суспензий.

Основная цель программы - создание и освоение перспективных экологически более чистых и безопасных технологий производства электрической и тепловой энергии, позволяющих вовлечь в энергетический баланс атомную энергию, низкосортные твёрдые топлива, нетрадиционные возобновляемые источники энергии, обеспечить экономию и рациональное использование энергоресурсов, резко снизить вредное влияние энергетических предприятий на окружающую среду.

Каждое основное направление включает в себя конкретные проекты, которые были отобраны в результате проводимых конкурсов с последующим рассмотрением их итогов на научных советах (секциях), образованных по ГНТП «Экологически чистая энергетика». Одними из главных условий включения проекта в ГНТП были наличие конкретного заказчика и его возможность финансировать НИОКР в объёме не менее 50 % стоимости. Ежегодно на научном совете ГНТП рассматривались итоги работы и вносились уточнения и изменения. Значительные изменения пришлось внести в программу в связи распадом Советского Союза на отдельные независимые государства. В итоге некоторые проекты не стали иметь заказчиков или на них не были выделены финансовые ресурсы со стороны новых государств. Особенно это сказалось на проектах, включённых в основное направление «Нетрадиционная энергетика». Проводимая правительством России экономическая реформа привела к многократному повышению стоимости работ, особенно по изготовлению образцов оборудования, что отрицательно повлияло на сроки выполнения отдельных заданий. Некоторые предприятия вынуждены были пересмотреть стоимость проектов и сроки их выполнения. Возникли серьёзные трудности с выделением капитальных вложений для осуществления проектов.

Несмотря на эти отрицательные факторы, работы по проектам, включённым в ГНТП «Экологически чистая энергетика», продолжаются. Выполнение указанной программы по второму направлению работ характеризуется следующими данными.

Все проекты удовлетворяют как экологическим, так и технико-экономическим требованиям. Разработанные технологии обеспечивают возможность использования золы в объёме не менее 80 %, 100 %-ю очистку жидких стоков ТЭС. По показателям экологической чистоты все проекты находятся на уровне наиболее жёстких требований, введённых или рассматриваемых на перспективу за рубежом.

Осуществление этих проектов позволит создать современные, конкуренто-способные, экологически чистые тепловые электростанции: на канскоачинском угле (КЭС) мощностью 5,0…6,4 млн. кВт с энергоблоками единичной мощностью 600…800 МВт, на экибастузском угле КЭС мощностью 4 млн кВт с энергоблоками 500 МВт, на кузнецком угле ТЭЦ мощностью 1,1…1,25 млн. кВт с энергоустановками единичной мощностью 300 и 180…225 МВт; на донецком АШ ухудшенного качества КЭС мощностью 2,4 млн кВт с энергоблоками по 300 МВт.

Основными научно-техническими задачами, которые необходимо решить в рамках этого направления, являются:

- разработка и создание азотоочистных установок, включая каталитические реакторы, с катализаторами сотовой структуры, газо-газовые теплообменники, высоконапорные дымососы и другое оборудование, а также технических средств по подавлению оксидов азота при горении топлива;

- разработка и создание сероочистных установок различной производительностью по дымовым газам (до 3 млн м³ газа в час);

- разработка и создание высокоэффективных золоуловителей, в том числе принципиально новой конструкции, для очистки дымовых газов от золы;

- создание высокотемпературных газовых турбин мощностью 115…200 МВт и мощных газогенераторов для их работы в составе парогазовых установок с газификацией твёрдого топлива;

- создание паровых котлов с циркулирующим кипящим слоем, а также котлов принципиально новых конструкций (с аэрофонтанными предтопками, с сжиганием топлива в шлаковом расплаве);

- создание нового поколения автоматизированных высокопроизводительных систем и комплексов экологически чистого горнотранспортного оборудования для ведения вскрышных и добычных работ;

- разработка способов и создание средств обеспечения производства отгружаемого угля стабильного качества, в том числе в условиях сложноструктурных угольных пластов;

- создание на принципиально новой основе высокопроизводительных эффективных сепараторов для выделения породы в начальной стадии обогащения угля;

- создание высокоэффективных флотационных машин и фильтрующих аппаратов, обеспечивающих максимальное извлечение угля и замыкание водно-шламового цикла внутри здания обогатительных фабрик;

- создание технологий и технических средств, обеспечивающих утилизацию в интересах народного хозяйства отходов производства тепловых электростанций и предприятий угольной промышленности.

Предусмотренные вторым основным направлением ГНТП «Экологически чистая энергетика» работы обеспечат сокращение выброса в атмосферу твёрдых частиц, сернистых и азотистых соединений, а также сбросов загрязненных вод. Однако это не в полной мере решает задачу создания экологически чистой тепловой электростанции.

После завершения основных научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ по перечисленным выше проблемам понадобится, вероятно, расширить сферу деятельности в рамках ГНТП в области экологически чистой тепловой электростанции на твёрдом топливе с целью:

- проведения комплекса исследований (фундаментальные исследования в рамках академической и вузовской науки необходимо начинать немедленно) и разработок для выявления возможности резкого сокращения выброса тепловыми электростанциями в атмосферу углекислого газа - основного парникового газа. Эта проблема ранее не разрабатывалась в техническом плане, и поэтому необходимо начать с фундаментальных исследований;

- создания более прогрессивных схем и оборудования, обеспечивающих эффективное сооружение и эксплуатацию тепловых электростанций с полностью замкнутым циклом технического водоснабжения, перевода действующих ТЭС с прямоточного на замкнутое водоснабжение;

- разработки и создания средств, обеспечивающих практически полное исключение попадания оксидов серы и азота в дымовые газы;

- разработки технологий, обеспечивающих эффективное извлечение из золы и шлаков ценных компонентов;

- разработки методов и технических средств для резкого сокращения теплового загрязнения электростанциями естественных водотоков и водоёмов.

Основными научно-техническими задачами, которые необходимо также решить в рамках рассматриваемого направления ГНТП, являются разработка и создание:

- котлоагрегатов с новыми типами топочных устройств (с циркулирующим кипящим слоем, аэрофонтанными предтопками, с предтопками с жидким шлакоудалением, со сжиганием топлива в шлаковом расплаве) с минимально возможным на период освоения выходом вредных составляющих в дымовых газах электростанций;

- высокотемпературных газовых турбин мощностью 115…200 МВт и мощных газогенераторов для их работы в составе парогазовых установок с газификацией твердого топлива;

- сероочистных установок различной производительностью по дымовым газам (до 3 млн м³/ч);

- комплектных азотоочистных аппаратов, включая каталитические реакторы с катализаторами сотовой структуры, газо-газовые теплообменники и др.;

- высокоэффективных фильтров, в том числе принципиально новой конструкции, для очистки дымовых газов от золы;

- нового поколения автоматизированных высокопроизводительных систем и комплексов экологически чистого горнотранспортного оборудования для ведения вскрышных работ и добычи угля на угольных разрезах;

- высокопроизводительных эффективных сепараторов для выделения породы в начальной стадии обогащения угля на принципиально новой основе;

- высокоэффективных флотационных машин и фильтрующих аппаратов, обеспечивающих максимальное извлечение угля и замыкание водно-шламового цикла внутри здания обогатительных фабрик;

- технологий и технических средств, обеспечивающих утилизацию в народном хозяйстве отходов производства ТЭС и предприятий угольной промышленности.

Наряду с проверенными в мировой практике технологиями некоторые проекты, включенные в основное направление «Экологически чистая тепловая электростанция» государственной научно-технической программы «Экологически чистая энергетика», обладают оригинальными техническими решениями.

Например, проект электростанции на канско-ачинском угле с паротурбинными энергоблоками по 800 МВт каждый не предусматривает применения традиционных серо- и азотоочистки благодаря содержанию большого количества свободного кальция в топливе, который активно соединяется с оксидами серы, превращая их в безвредные компоненты. Достижение необходимой концентрации оксидов азота в газах решается, прежде всего, за счет подогрева угольной пыли до 500…600 ^оС в условиях недостатка кислорода, а также других технических мероприятий.

Определенный интерес представляет проект создания энергоустановок единичной мощностью 500 МВт с аэрофонтанными предтопками на экибастузском угле. В этих предтопках происходит газификация кускового топлива в циркулирующем кипящем слое, зола выводится из предтопков, а генераторный газ сжигается в котле.

К нетрадиционным технологиям необходимо отнести также метод сжигания донецкого антрацитового штыба в шлаковом расплаве. Этот проект предусматривает сочетание металлургических печей с котельным агрегатом, в топке которого происходит сжигание продуктов газификации угля. Дробленое топливо и молотый известняк поступают в горизонтальную печь-камеру, в которой в расплаве жидкого шлака уголь газифицируется и частично сжигается. Для интенсификации процесса в печь подается воздух, обогащенный кислородом. Образовавшиеся в этих условиях оксиды серы связываются окисью кальция, а ведение процесса при недостатке кислорода способствует снижению образования окислов азота.

Имеются также другие технические решения в рамках остальных проектов, которые в определенной степени отличаются новизной. Однако они, как и описанные ранее, требуют проверки на пилотных или опытно-промышленных установках.

Рассмотрим более подробно поддержанные проекты по направлению «Экологически чистая тепловая электростанция» [8]. Этим направлением предусматривается создание прогрессивных экологически чистых технологий и оборудования для добычи угля открытым способом, его транспорта на тепловые электростанции и сжигания на электростанциях наиболее перспективных видов твёрдого топлива в условиях России. К таким видам топлива следует отнести канско-ачинский бурый уголь, кузнецкие и экибастузские каменные угли, донецкий антрацитовый штыб ухудшенного качества.

Ведущие научно-исследовательские и проектные организации Минтопэнерго, Академии наук завершили комплекс исследований и проектных обоснований по девяти альтернативным вариантам проектов тепловых электростанций на указанных выше четырёх видах угля. На конкурсной основе был произведён выбор вариантов проектов для реализации. Это следующие проекты (табл. 3):

- топливно-энергетический комплекс в составе угольного разреза Берёзовский № 2 и Берёзовской ГРЭС № 2 с восемью паротурбинными энергоблоками мощностью по 800 МВт, оснащенными паровыми котлами со ступенчатым сжиганием канско-ачинского угля и тканевыми рукавными фильтрами для очистки дымовых газов;

- топливно-энергетический комплекс в составе угольного разреза Южный, углеобогатительной фабрики и Экибастузской ГРЭС № 3 с восемью паротурбинными энергоблоками мощностью по 599 МВт, оснащёнными модернизированными котлами типа П-57р с тангенциальной топочной камерой, мокроизвестняковой сероочисткой и каталитической азотоочисткой;

- теплоэлектроцентраль с парогазовыми установками мощностью по 399 МВт, оснащёнными газификаторами кузнецкого угля, высоконапорными парогенераторами производительностью по 650 т/ч и газовыми турбинами мощностью по 115 МВт. В связи с отказом Кузбассэнерго от реализации этого проекта на Петровской ТЭЦ Минтопэнерго Российской Федерации в ноябре 1991 г. в качестве объекта реализации проекта определена Кировская ТЭЦ № 5;

- Ростовская ГРЭС с восемью паротурбинными энергоблоками мощностью по 300 МВт, оснащёнными двумя котлами паропроизводительностью по 500 т/ ч каждый с циркулирующим кипящим слоем и электрофильтрами со знакопеременным напряжением.

Кроме того, рекомендовано в рамках этого направления программы предусмотреть сооружение трёх опытно-промышленных установок:

- на Берёзовской ГРЭС № 1 парогазовой установки на базе газовых турбин мощностью 100…200 МВт с газификацией канско-ачинского угля под давлением;

- на Экибастузской ТЭЦ котла с использованием аэрофонтанных предтопков для сжигания высокозольного (необогащённого) экибастузского угля;

- на Харьковской ГРЭС № 2 котла паропроизводительностью 150 т/ч для сжигания донецкого угля в шлаковом расплаве.

Как следует из этих данных, по трём проектам заказчиками являются не российские предприятия, в связи с чем пришлось остановить финансирование этих проектов со стороны российского госбюджета до подписания соответствующего соглашения между заинтересованными сторонами об их участии в реализации этих проектов. Минтопэнерго России предложило изменить объект реализации проекта по экибастузскому углю с Экибастузской ГРЭС-3 на Южно-Уральскую ГРЭС.

В 1992 г. в рамках этого направления планировалась разработка технических проектов котлов для Берёзовской ГРЭС № 2 в КАТЭК, рукавных и кассетных фильтров для очистки газов от оксидов серы, азота и пыли. Должен быть уточнён проект парогазовой установки с газификацией кузнецкого угля для Кировской ТЭЦ № 5 и разработано ТЭО на сооружение на Омской ТЭЦ № 2 стенда по отработке технологии извлечения из дымовых газов углекислоты. Для Ростовской ГРЭС намечена разработка ТЭО электростанции и технического проекта котла производительностью 500 т/ч с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) в топке, а также начато изготовление крупномасштабной стендовой установки с ЦКС тепловой мощностью 10-15 МВт. Предусмотрена разработка ТЭО на сооружение на Берёзовской ГРЭС № 1 опытно-промышленной парогазовой установки с газификацией канско-ачинского угля под давлением.

В настоящее время участники программы «Экологически чистая энергетика» находятся на очень ответственном этапе, когда необходимо приступить к реализации конкретных проектов. В условиях, когда экономическое положение России нестабильно, важно правильно найти организационные формы, позволяющие наиболее эффективно использовать выполненные научные разработки. К числу таких форм следует отнести создание акционерных обществ, привлечение зарубежных партнеров, создание предпосылок для обеспечения выхода проектов на международный рынок с привлечением иностранных инвестиций.

Приведены основные сведения о разрабатываемых зарубежных и отечественных программах в области чистых угольных технологий. Реализация данных программ имеет приоритетное значение для энергетики будущего. Следует особо подчеркнуть, для их осуществления все западные страны оказывают существенную финансовую поддержку, связанную с большой стоимостью данных разработок. Тяжелое положение сложилось в России по выполнению Государственной программы «Экологически чистая энергетика» из-за практического прекращения инвестирования, что может затормозить внедрение высоких технологий в энергетику ХХI века.

Литература

1. Выскубенко Ю.А. и др. Comprehensive Report to Congress «Clean Coal Technology Program. Completing the Mission». US Department of Energy. May, 1994.

2. Макензи Дж. Перспективы развития электростанций на угле // Мировая электроэнергетика. - 1994. - № - С. 18 - 21.

3. Renzenbrink W., Rudolf K. Planung der KobRA - Demonstratiosanlage auf dem Standort Goldenberg-Werk // Baunkohle. - 1991. - № 10.

4. Mikio Shmojo. Direction of High Efficiency Coal Fueled Power Generation in Japan. Lection on the Summer Scool UNESCO in Moscow. Managenent in Clean Coal Technologies, Moscow. June. 1996.

5. Third Annual Clean Coal Technology Conf. Chicago. Sept. 1994.

6. Нечаев В.В. Чистая угольная технологий для ТЭЦ США // Теплоэнергетика. - 199 - С. 6 -11.

7. Доброхотов В.И. Программа «Экологически чистая энергетика». Теплоэнергетика. -199 - № 8. - С. 4 - 9.

8. Гапеев В.В. Программа ГКНТ “Экологически чистая ТЭС». Основные проекты. Теплоэнергетика. - 1993. - № 4. - С. 5 - 1

Размещено на Allbest.ru