Современное состояние и перспективы развития экологически безопасных ТЭС (теплоэлектростанций) на твердом топливе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современное состояние и перспективы развития экологически безопасных ТЭС на твердом топливе

Седлов А.С.

Введение

Одной из основных тенденций развития современной энергетики является повышение экологической безопасности как проектируемых тепловых электрических станций, так и находящихся в эксплуатации. Причем электростанции, работающие на твердом топливе, занимают в этой тенденции основное место, поскольку количество выбросов вредных веществ, производимых ТЭС на твердом топливе, не сравнимо с количеством выбросов станции, работающей на газообразном или жидком топливе. Другой причиной того, что особое внимание разработчиков уделяется именно станциям, работающим на твердом топливе, является тот факт, что газообразное топливо и тем более жидкое топливо, для большинства стран, значительно дороже твердого. Постоянно ужесточающиеся нормы по выбросам тепловых электростанции во всем мире, а также увеличение платы за выбросы привели к разработке огромного количества методов, направленных на повышение экологических показателей работы энергооборудования, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Ниже приведены описания применяющихся на ТЭС различных стран технологий и способов снижения выбросов от электростанций, работающих на твердом топливе, возникших на различных этапах развития угольной энергетики, и отвечающих соответствующим условиям рынка энергооборудования [4].

1. Экологически безопасные ТЭС с паротурбинными блоками на твердом топливе

1.1 Экологически безопасные ТЭС с эффективными системами очистки дымовых газов

Самым ярким примером экологически безопасного энергоблока и принципа достижения низких значений выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду за счет применения эффективных систем очистки дымовых газов является энергоблок №5 ТЭС Альтбах -- Дейцизау, присоединенный к энергосистеме в Германии в 1985 году. Для энергоблока используются высокоэффективные пятипольные электрофильтры с четырьмя параллельными ходами для дымовых газов, обеспечивающие степень их очистки от летучей золы до 99,74 %. Высота дымовой трубы составляет 250 м. Система десульфиризации уходящих газов работает по мокро-известняковому способу и содержит дополнительное оборудование, предназначенное для получения из ее шлама товарного продукта -- гипса. Установка очищает дымовые газы от SCh не менее чем на 85 %, что соответствует содержанию оксидов серы на выходе из дымовой трубы -- 180 мг/м.

Для снижения содержания NOX в дымовых газах в качестве меры предварительного их подавления используются специальные горелки и ступенчатое сжигание топлива в топке, что позволяет предварительно снизить их концентрацию до 550 мг/м3.

Дальнейшее снижение содержания NOX в дымовых газах котла до 200 мг/м реализуется с помощью установки селективного каталитического восстановления. Для сокращения выбросов водяного пара в атмосферу и исключения образования тумана над градирней применена полусухая гибридная (комбинированная) вентиляторная градирня высотой 45 м.

Вода в сухой части градирни охлаждается на 20 %, а потеря воды с испарением снижается со 170 до 135 л/с. Расход продувочной циркуляционной воды составляет 0,83 л/с или 0,01 %. Для снижения выброса углекислого газа в атмосферу предусмотрена комбинированная выработка электрической энергии и теплоты в сетевых подогревателях.

Полученный в результате обработки сточных вод известняковый шлам используется в системе десульфиризации для сокращения расхода товарного известняка.

Также энергоблок включает в себя системы раздельного транспортирования и хранения твердых продуктов горения топлива -- золы и шлака. Тем самым образуется крупный энерготехнологический комплекс. Развитие на базе ТЭС сопутствующих с генерацией производств в значительной мере способствует улучшению экологических и экономических показателей работы энергоблоков [1].

1.2 ТЭС с котлами циркулирующего кипящего слоя

История развития технологии ЦКС начинается с появления первого котла данного типа в 1979 году в Финляндии. Промышленное освоение технологии и ее развитие шли очень медленно несмотря на огромное преимущество применения данной технологии при реконструкции действующих энергоблоков старого образца для достижения ими высоких показателей по экологической безопасности. Причем котлы с ЦКС ввиду специфики организации процесса горения не требуют установки дополнительного газоочистного оборудования и сводят к минимуму эксплуатационные затраты, идущие на то, чтобы энергоблок смог отвечать самым жестким европейским требованиям по выбросам вредных веществ, производимым электростанциями.

На сегодняшний день промышленно освоена и широко применяется в различных странах технология ЦКС на докритические параметры пара. Первый энергоблок 460 МВт с котлом ЦКС производства компании Фостер -- Уиллер, рассчитанный на сверхкритические параметры острого пара (265 бар/560 °С) запущен в эксплуатацию в 2009 году в Логиже (Польша). Котел содержит систему ввода сухого известняка в зону горения для связывания диоксида серы, за счет чего достигается предельная минимальная концентрация на выходе из котла в районе 200 мг/м3, что соответствует новым европейским нормативам по выбросам.

Также ввиду того, что максимальная температура в зоне горения не велика и составляет 859 °С, концентрация оксидов азота соответствует нормам без применения дополнительных средств для ее снижения и составляет по данным фирмы производителя также 200 мг/м3. При проектировании данного котла компания Фостер -- Уиллер проводила технико-экономический сравнительный анализ котла данного типа с обычным котлом СКД, оборудованным системами сероочистки и селективного каталитического восстановления оксидов азота на выходе из котла. Результатом анализа является вывод о том, что для достижения таких же экологических показателей работы пылеугольного котла с факельным сжиганием его стоимость должна была превысить стоимость котла с ЦКС на 21 %, и при этом КПД энергоблока нетто был бы выше всего на 0,2 % (42,4 % -- 42,6 %).

Помимо сказанного выше, котел с ЦКС имеет ряд преимуществ над пылеугольным котлом, таких как: эффективное сжигание топлива любого качества без газовой или мазутной подсветки, возможность сжигания разного по качеству топлива в одном и том же котле, упрощенная схема подготовки топлива, возможность глубокой разгрузки без применения вспомогательного топлива (до 25 %) и быстрый пуск из горячего состояния [3], [4], [8].

2. Экологически безопасные ТЭС с парогазовыми блоками, работающими на твердом топливе

2.1 ТЭС с газификацией твердого топлива

Основным принципом повышения экологических показателей работы энергоблока является увеличение его КПД или снижение удельного расхода топлива на выработку электроэнергии, а как следствие, и снижение выброса вредных веществ в атмосферу. Одним из наиболее перспективных направлений в данной области является применение технологий ПГУ с внутрицикловой газификацией угля. Согласно данной схеме твердое топливо проходит предварительную подготовку в виде его частичного окисления в специальном устройстве, называемом газификатором (газогенератором), в котором производится и дополнительный подогрев рабочей среды, а затем в виде синтез-газа (СО + Нг) направляется в камеру сгорания энергетической ГТУ.

Наиболее эффективный вариант производственного использования данной технологии -- это ТЭС Пуэртолано (Испания). Пущенный в эксплуатацию в 1992 году энергоблок 335 МВт содержит в своем составе ГТУ мощность 200 МВт и ПТУ 135 МВт. Используемая в качестве топлива и реагента смесь угля, нефтяного кокса и известняка подается в систему топливоприготовления.

В качестве транспортирующего агента используется азот воздуха, полученный на воздухоразделительной установке. В газификаторе генерируется пар двух давлений, неочищенный синтетический газ и шлак. После фильтрования и промывки водой газ поступает в систему сероочистки, где из него выделяется 99,8 % серы. Очищенный синтетический газ подается в газовую турбину. Отработанные в турбине газы поступают в котел-утилизатор, пар из которого поступает в паровую турбину.

Величина выбросов в атмосферу вредных веществ составляет для SO2, NOX и твердых частиц соответственно 125, 150, 7,5 мг/м3. Основными исследованиями в данном направлении развития угольной энергетики являются исследования, направленные на увеличение химического КПД газогенераторов, лучшие из которых составляют на сегодняшний день порядка 92 %.

Существуют разработки газогенераторов с химическим КПД до 95 %, однако энергоблок Пуэртолано во многом по причине, связанной с несовершенностью газогенератора, имеет КПД по выработке электроэнергии 42,2 %, что довольно низкий показатель эффективности для ПГУ. Также одной из основных проблем на пути развития данной технологии являются высокие капитальные затраты на строительство энергоблока (от 1500 до 2000 € на кВт установленной мощности) [5], [6].

2.2 ТЭС с котлами кипящего слоя под давлением

Одними из наиболее редких представителей технологий ПГУ, работающих на твердом топливе, являются энергоблоки с котлами кипящего слоя под давлением (КСД). Горение угля в КСД и связывание серы сорбентом происходят под давлением 1,2 -1,6 МПа и температуре 850 -- 870°С. Скорость псевдоожижения не превышает 0,9 -- 1 м/с, высота кипящего слоя достигает 3 -- 4 м. Термодинамически такая система менее эффективна, так как большая часть тепла топлива подводится прямо в паровой цикл, где вырабатывается порядка 80 % электроэнергии блока. Но и потери в ней существенно меньше, чем при газификации. Подача угля осуществляется в виде пасты или сухим агентом под давлением. КПД такого энергоблока, как правило, не превышает 43 %.

Одним из самых мощных на сегодняшний день энергоблоков данного типа является блок производства Harima Heavy Industries (IHI), установленный на ТЭС Карита (Япония). Электрическая мощность блока составляет 360 МВт, КПД по выработке электроэнергии составляет 42,8 %. Концентрации вредных веществ в уходящих газах несколько выше чем у ТЭС Пуэртолано (SO2 -- 200 мг/м3, NOX -- 200 мг/м3 и твердых частиц -- 9 мг/м ).

Удельные капитальные затраты на такой энергоблок составляют порядка (2000 -- 2500 € на кВт установленной мощности), по причине чего, также как и ТЭС с газификацией угля, данная технология пока не получила развития на современном рынке энергооборудования [2-4].

3. Экологически чистые перспективные ТЭС, оборудованные технологиями связывания с последующим захоронением СО2

Разработки технологий Carbon Capture and Storage (CCS) -- связывания и захоронения СОг -- определили три основные пути развития технологических циклов энергоблоков данного типа с классификацией по типу удаления ССЬ: предтопочное, кислородное сжигание и послетопочное.

3.1 Предтопочное удаление СО2

Этот метод заключается в получении из угля синтез-газа с последующим получением с его помощью водорода в результате реализации на поверхности катализатора реакции

СО + Н2О --> СO2 + + Н2.

Дальнейшее использование водорода в качестве топлива не приводит к образованию парниковых газов за исключением водяного пара. Связывание СО2 в данной схеме производится вне зоны горения на стадии подготовки топлива.

3.2 Кислородное сжигание

Данный метод основан на предварительном разделении воздуха на кислород и атмосферный азот с дальнейшим использованием кислорода как единственного газа окислителя. Преимуществом является отсутствие затрат на выделение ССЬ, сбор которого практически в чистом виде возможен на выходе из котла или газовой турбины.

3.3 Послетопочное удаление СО2

Данный метод основан на применении химических реагентов для выделения из продуктов сгорания СОг с последующим связыванием и регенерацией их в закрытом объеме. Оттуда производится забор диоксида углерода для захоронения. Несмотря на многочисленность исследований, ведущихся в данной области, на сегодняшний день ни одна из описанных выше технологий пока не применяется в промышленности [2].

4. Государственная научно-техническая программа "Экологически чистая энергетика"

Согласно архивным данным и опубликованным трудам в рамках Государственной научно-технической программы СССР "Экологически чистая энергетика" по состоянию на 1 сентября 1990 года практически все направления исследований в мире, описанные выше, должны были быть промышленно освоены к 2000 году [8]. Так, к примеру, существует проект 1989 года строительства в районе Березовского разреза №2, Березовской ГРЭС-2, содержащей в своем составе энергоблоки ПГУ 625 МВт с газификацией угля.

Существует также проект строительства Экибастузской ГРЭС-3, в состав которой входят 8 ПТУ блоков по 500 МВт с эффективными системами очистки дымовых газов. Кроме того, в программу входил проект строительства Ростовской ГРЭС 2400 МВт, в состав которой должны были входить ПТУ блоки 300 МВт, снабженные котельными агрегатами для сжигания угля в циркулирующем кипящем слое.

В числе первой по важности идеи проектов, помимо ввода новых мощностей, в данной программе отражена необходимость реконструкции действующих в стране пылеугольных котлов для снижения выбросов оксидов азота и серы, чем сейчас интенсивно занимаются генерирующие компании, имеющие в своем составе электростанции, работающие на твердом топливе. Фактическое закрытие программы отодвинуло сроки ее реализации более чем на 15 лет.

экономический экологический электрический станция

Заключение

Основные величины, позволяющие оценить перспективность того или иного направления исследования, а также промышленного использования экологически безопасных энергоблоков сведены в табл. 1.

Таблица 1. Сравнительные технико-экономические и экологические характеристики экологически безопасных энергоблоков

На основании анализа данных табл. 1 можно сделать следующие выводы:

1) необходимо создание федеральных целевых программ по строительству опытно-промышленных (пилотных) высокоэффективных, экологически безопасных ТЭС на твердом топливе, реализующих современные и перспективные экологически чистые угольные технологии;

2) для условий Российской Федерации представляет несомненный интерес сооружение тепловых электрических станции на базе котельных агрегатов с циркулирующим кипящим слоем и ТЭС с эффективными системами очистки уходящих газов. Для ликвидации отставания и выхода на мировой уровень в этой области целесообразно ориентироваться при разработке этих ТЭС на самые высокие параметры пара, а именно на суперкритические.

Список литературы

1. Повышение экологической безопасности тепловых электростанций: учебное пособие для вузов / А.И. Абрамов, Д.П. Елизаров, А.Н. Ремезов и др.; под ред. А.С. Седлова. М.: Издательство МЭИ, 2001. - 378 с, ил.

2. Технологии эффективного и экологически чистого использования угля: сборник докладов международной научно-технической конференции. М.:ОАО "ВТИ", 2009. - 392с.

3. Рябов Г.Б., Надыров И.И. Сжигание угля в кипящем слое. // Развитие технологии подготовки и сжигания топлив на электростанциях: Сб. науч. ст. М.: ОАО "ВТИ", 1996.

4. Угольная теплоэнергетика - проблемы реабилитации и развития: сборник докладов международной научно-технической конференции. М.:ОАО "ВТИ", 2005. -198 с.

5. Современные природоохранные технологии в электроэнергетике: информационный сборник / под общей ред. В.Я. Путилова. М.: Издательство МЭИ, 2007. -406 с.

6. Экология энергетики: учебное пособие под общей редакцией В.Я. Путилова. М.: Издательство МЭИ, 2003. -576 с.

7. Тепловые электрические станции: учебник для вузов. / В.Д. Буров, Е.В. Дорохов, Д.П. Елизаров и др.; под ред. В.М. Лавигина, А.С. Седлова, СВ. Цанева. М.: Издательство МЭИ, 2007. - 466 с.

8. Экологически чистая энергетика: концепция и краткое описание проектов Государственной научно-технической программы. М.: Информэлектро, 1990. -192 с.

Размещено на Allbest.ru