Поиск по сайту
Начало >> Статьи >> Успехи и проблемы энергетиков США в области экологии

Успехи и проблемы энергетиков США в области экологии

Котлер В. Р.

В течение последнего десятилетия энергетики США добились значительных успехов в деле защиты атмосферы от вредных выбросов как за счет совершенствования технологических методов, так и за счет более эффективной очистки дымовых газов. Внедрение этих методов позволило значительно снизить выбросы от котлов, ГТУ и двигателей внутреннего сгорания. По сведениям, полученным в Агентстве по защите окружающей среды (ЕРА), суммарное загрязнение атмосферы по шести основным компонентам (SO2, NO, твердые частицы, СО, озон и свинец) за период с 1970 по 2000 г. снизилось на 29% [1].
Что касается тепловых электростанций, то здесь наиболее успешно решались вопросы сокращения основных выбросов пылеугольных котлов: сернистого ангидрида и твердых частиц. За тридцатилетний период удельные выбросы SO2 удалось снизить на 70%, а выбросы твердых частиц - на 94%. Реализуя требования Закона о чистом воздухе (Clean Air Act), владельцы угольных электростанций уменьшили удельные выбросы S02 в среднем с 1,89 до 0,43 г/МДж.
Снижение выбросов твердых частиц было достигнуто за счет замены устаревших электрофильтров более совершенными или тканевыми фильтрами, которые способны очистить дымовые газы до уровня, значительно ниже допустимой концентрации (0,0129 г/МДж).
Для снижения выбросов NOх, в первую очередь, используют технологические методы, состоящие в изменении топочного процесса. В этой области новым достижением можно считать метод, разработанный специалистами Mobotec USA (г. Orinda, штат Калифорния). Этот метод, названный Rotating Opposed Fire Air (ROFA), впервые был внедрен на двух ТЭС: Armstrong (угольный котел 50-х годов) и Vermillion (газовый котел также 50-х годов). Метод ROFA улучшает процесс горения созданием в верхней части топки области повышенной турбулентности за счет высокоскоростных струй воздуха, подаваемых в топку через асимметрично размещенные сопла на топочных экранах. Использование этого метода снизило выбросы   на первом котле на 75%, а на втором - на 50%. В настоящее время он уже внедрен на 17 котлах в Швеции и на угольной ТЭС Cape Fear (г. Raleigh, штат Северная Каролина, США).
И все же чаще всего для достижения норм по выбросам NOx в США применяются малотоксичные горелки в сочетании с двухступенчатым сжиганием. На газомазутных котлах такое сочетание снижает выбросы NOx на 70%. Для угольных котлов с тангенциальными топками, работающих на длиннопламенных (полу- битуминозных) углях из бассейна Powder River, конструкторы фирмы Alstom Power (г. Windsor, штат Коннектикут) разработали малотоксичные горелки. Такие горелки внедрены уже на 35 энергоблоках, суммарная мощность составляет 15 000 МВт. Единичная мощность отдельных блоков составляет от 150 до 700 МВт, их котлы имеют как одноквадратные, так и двухквадратные топки с разделительным экраном. Наилучшие результаты после внедрения малотоксичных горелок фирмы Alstom Power в сочетании с двухступенчатым сжиганием были получены на ТЭС Labadie: удельные выбросы NOx на блоках № 2, 3 и 4 снизились до 0,0516 г/МДж, а на блоке № 1 - даже до 0,0473 г/МДж (при номинальной нагрузке блоков). Эти удельные выбросы соответствуют концентрациям 150-130 мг/м3 (в пересчете на N02 при нормальных условиях и а =1,4).
Для котлов, сжигающих каменные (битуминозные) угли с использованием вихревых горелок, больше подходят малотоксичные горелки фирмы Babcock & Wilcox (B&W), которыми уже оснащены энергоблоки суммарной мощностью около 100 000 МВт. Наиболее эффективны малотоксичные горелки третьего поколения, получившие название DRB-4Z [2]. При установке этих горелок (рис. 1) на четырех котлах, сжигающих каменные угли восточных месторождений, снизились выбросы NOx на 70% (в сочетании с двухступенчатым сжиганием). А при использовании полубитуминозного угля Power River на блоке мощностью 675 МВт только за счет применения горелок DRB-4Z без двухступенчатого сжигания были получены удельные выбросы NOx менее 0,073 г/МДж (т.е. примерно 200 мг/м3 в пересчете на NO2 при а = 1,4).
И все же есть случаи, когда технологические методы не позволяют до конца решить проблему выбросов оксидов азота. Малотоксичные горелки нельзя применить, например, на котлах с циклонными предтопками. Иногда использование малотоксичных горелок приводит к чрезмерному увеличению горючих в уносе. Это не только снижает КПД котла, но и превращает золу уноса из товарного продукта в отходы, складирование которых обходится слишком дорого. Кроме того, технологические методы подавления NOx вряд ли смогут обеспечить требуемую на пылеугольных котлах в летнее время для ТЭС двух Северо-Восточных штатов США и округа Колумбия концентрацию NOx примерно 190 мг/м3 [3].
Во всех этих случаях для борьбы с выбросами оксидов азота приходится идти на установку реакторов SCR (селективного каталитического восстановления). Например, котлы угольных блоков № 3, 4 ТЭС Chesapeake Energy Center энергокомпании Dominon Generation оснащаются фирмой B&W системами SCR. Строительство установок идет полным ходом и весной
Вихревая пылеугольная горелка типа DRB-4Z
Рис. 1. Вихревая пылеугольная горелка типа DRB-4Z - малотоксичная горелка фирмы B&W третьего поколения:
1 - воздушный шибер скользящего типа; 2 - неподвижные лопатки; 3 -поворотные лопатки
2004 г. на этих блоках выбросы NO в атмосферу будут снижены, как ожидается, на 90%.

Другим примером может служить ТЭС AES Cayuga, расположенная в штате Нью-Йорк (этот штат входит в число упомянутых ранее 22 Северо-Восточных штатов США). Раньше эта электростанция называлась Milliken и была хорошо известна, так как на одном из угольных блоков этой ТЭС мощностью 160 МВт, работающем с 1955 г., в 90-х годах был внедрен ряд новейших природоохранных мероприятий [4]: при реконструкции на его котле были установлены малотоксичные горелки, новые мельницы, новая система автоматического регулирования, более мощные дымососы и мокрые скрубберы для снижения выбросов SO2 (котел работает на восточном битуминозном угле с содержанием серы 2,4%).
Новые требования по выбросам NO заставили AES Cayuga совместно с фирмой Foster Wheeler принять решение об установке на блоке № 1 реакторов SCR. Предполагается, что катализатор будет работать без замены 24 тыс. ч, а концентрация аммиака (проскок) в уходящих газах не превысит 2 ppm (по объему в сухой массе дымовых газов).
Кстати, проскок аммиака для многих ТЭС может оказаться тем препятствием, которое ограничит возможность установки SCR: в штате Калифорния, например, допустимая концентрация NH3 в дымовых газах составляет 5 ppm при O2 = 15% (т.е. 2 ppm при стандартном для котлов избытке воздуха а — 1,4); в штате Массачусетс - 2 ppm, а в некоторых штатах Новой Англии требуются даже ‘‘нулевые выбросы” NH3.
Успешная борьба с загрязнением атмосферы стоила американской экономике недешево: за последние 25 лет капитальные затраты энергетиков на природоохранные мероприятия составили 40 млрд. дол. (оснащение котлов тканевыми фильтрами, сооружение систем сероочистки, установки селективного каталитического восстановления и др.). Приблизительные подсчеты показывают, что мероприятия по снижению выбросов твердых частиц увеличили стоимость электроэнергии на 2%, установка сероочисток - на 10%, а оснащение котлов реакторами SCR - на 6% [1].
По мере совершенствования различных технологий стоимость внедрения природоохранных установок постепенно снижается. Особенно заметно это на примере сероочисток: в наши дни затраты на оснащение котлов мокроизвестковой сероочисткой снизились на 75% по сравнению с ценами двадцатипятилетней давности. Уменьшаются также и расходы на ремонт и эксплуатацию сероочистных устройств.
Однако перечисленные достижения не означают, что проблема загрязнения атмосферы для энергетиков уже решена. Во-первых, продолжается работа по выполнению требований второго этапа дополнения 1990 г. к Закону о чистом воздухе (СААА). Во-вторых, появились новые требования по ограничению выбросов частиц размером менее 2,5 мкм (так называемое, требование РМ2,5) и требования относительно выбросов ртути. Кроме того, приходится решать и весьма дискуссионную проблему загрязнения атмосферы тепличным газом ССК.
Надежды энергетиков связаны с разработкой новых аппаратов, рассчитанных на одновременную очистку дымовых газов от нескольких загрязнителей, в том числе и от ртути. Ожидается, что реализовать новые технологии можно будет применением малозатратной реконструкции существующих мокрых или сухих установок, которые пока что очищают дымовые газы только от SO2. В настоящее время эффективность сероочистки достигает 98%, а самые крупные модули рассчитаны на блоки мощностью до 600 МВт.
В декабре 2000 г. ЕРА объявило о подготовке законодательного ограничения по выбросам ртути. Ожидается, что предложения по этому закону будут опубликованы в конце 2003 г., а в 2004 г. закон будет утвержден соответствующими инстанциями. Требования этого закона должны быть выполнены не позже 2007 г. Некоторые штаты, как ожидается, примут собственные нормы по допустимым выбросам ртути.
комплексная очистка дымовых газов СТ-121
Рис. 2. Схема демонстрационной установки комплексной очистки дымовых газов СТ-121 на блоке № 1 ТЭС Yates: 1 - котел; 2 - дымосос; 3 - привод; 4 - стояк; J - разбрызгивающая труба; 6 - мешалка; 7 - воздушный барботер; 8 - пруд-отстойник; 9 - штабель гипса; 1 -зона реагирования; II-зона барботажных струй

установка электрокаталитического окисления
Рис. 3. Опытно-промышленная установка электрокаталитического окисления, проверенная фирмой Powerspan Согр. на ТЭС R Е Burger: 1 - секции обычного электрофильтра; 2 - подача газа; 3 - секция мокрого электрофильтра; 4 - корпус существующего электрофильтра; I-вход дымовых газов; II -к дымовой трубе; III- к системе регенерации побочного продукта из мокрого электрофильтра

По предварительным оценкам общенациональный Закон потребует снижения выбросов ртути котлами угольных ТЭС на 90%. Добиться такого снижения можно при разработке новых технологий в четырех областях:
адсорбция ртути на поверхности таких материалов, как активированный уголь;
перевод ртути в раствор, который затем может быть удален в скрубберах сероочистки.
Простой и достаточно эффективной считается подача активированного угля в дымовые газы перед электрофильтром или перед тканевым фильтром. В конце 90-х годов на многих установках при сжигании твердых бытовых отходов уже использовался метод вдувания в продукты сгорания смеси углерода с известью. В большой энергетике этот метод был проверен на ТЭС Pleasant Prarie мощностью 1230 МВт (г. Milwaukee, штат Висконсин). Однако предварительные результаты показали, что при выбранном количестве инжектируемого реагента эффективность метода составляла 50 - 60%, что ниже ожидаемого значения.
Перспективным для снижения выбросов ртути считается также использование существующих мокроизвестковых сероочисток. Специалисты фирмы Bums & Me Donnel Engineer (г. Канзас-Сити) считают, что при сжигании битуминозных углей и наличии перед сероочисткой тканевого фильтра в мокрых скрубберах может быть уловлено до 90% ртути, что и требуется по ожидаемому законодательству. Если котел работает на битуминозном угле, но оборудован сухой сероочисткой, то и в этом случае можно добиться улавливания в ней 90% ртути, так как в сухих системах происходит адсорбция ртути на горючих, содержащихся в золе уноса.
В январе 2002 г. компания PSEG Power (г. Ньюарк, штат Нью-Джерси) приступила к выполнению программы общей стоимостью 300 млн. дол. В соответствии с ней на двух угольных электростанциях (Hudson и Mercer) предполагается установить как сухую сероочистку, так и реакторы селективного каталитического восстановления NO (SCR). Одна из целей этой программы состоит в 90%-ном снижении выбросов ртути.
Основываясь на опыте немецких энергетиков, некоторые специалисты считают, что ртуть будет окисляться при прохождении дымовых газов через слои катализатора, и это существенно облегчит ее улавливание. Однако другие специалисты настроены скептически: они считают, что в продуктах сгорания многих углей США с низким содержанием хлора (в том числе и полубитуминозных углей из бассейна Powder River) окислительный процесс будет ограничиваться.
Надежды энергетиков на улавливание из дымовых газов ртути и мельчайших частиц (РМ2,5) связаны с еще одной технологией, разработанной в Японии для сероочистки (Chiyoda Thorougbred 121, СТ-121) и получившей распространение в США в последние годы. Лицензию на эту технологию приобрела американская энергостроительная компания Black & Veatch Согр. (г. Канзас-Сити). В отличие от традиционных сероочисток с использованием скрубберов, в которых известняковая эмульсия разбрызгивается в потоке дымовых газов, метод СТ-121 предполагает диспергирование дымовых газов в эмульсию при помощи труб-барботеров в предложенном фирмой Chiyoda струйно-пузырьковом реакторе JBR (рис. 2). При использовании доступного и недорогого известняка метод СТ-121 обеспечивает более эффективное улавливание SO2 при меньшем на 10 - 15% расходе энергии на собственные нужды по сравнению с традиционными скрубберами. Промышленная демонстрация метода СТ-121 была начата в октябре 1992 г. и продолжалась до декабря 1994 г. [4]. Успешные результаты этих испытаний, проведенных на ТЭС Yates, привели к тому, что метод СТ-121 в настоящее время внедрен уже на 30 блоках суммарной мощностью 11 000 МВт.
По оценке специалистов Black & Veatch эффективность метода СТ-121 по улавливанию SO2 достигает 99%, а это подразумевает более высокое улавливание ртути по сравнению с традиционными сероочистками. Кроме того, этот метод обеспечивает значительно более эффективное улавливание сверхмелких частиц (менее 1 мкм): вместо 50% у обычных скрубберов здесь улавливается от 60 до 90% таких частиц. В опытах на ТЭС Yates с отключенным электрофильтром было показано, что общая эффективность реактора JBR по твердым частицам составляет 99,1%; при запыленности дымовых газов перед JBR на уровне 2,1 — 2,5 г/МДж за реактором запыленность снижалась до 0,018-0,024 г/МДж.
На этой же ТЭС были проведены расчеты и измерения содержания ртути в дымовых газах. При нагрузке блока 100 МВт оказалось, что в реакторе JBR улавливается 43% ртути. Специалисты Bkack & Veatch считают, что в реакторе SCR одновременно с восстановлением N0 можно ожидать 35%-ного окисления ртути. Это значит, что в тех схемах очистки дымовых газов, в которых сероочистка располагается после установки SCR, улавливание ртути в реакторе JBR будет значительно выше 43%.
Одной из наиболее перспективных технологий одновременного улавливания нескольких загрязнителей считается электрокаталитическое окисление (ECO). Этот метод был разработан в корпорации Powerspan (г. Durham, штат Северная Каролина) и представляет собой комплексную систему очистки дымовых газов, состоящую из трех компонентов:
газовый реактор, в котором происходит окисление загрязнителей;
мокрый электрофильтр с конденсацией, в котором улавливаются кислотный туман и другие мельчайшие частицы;
утилизатор побочных продуктов, в котором обрабатываются стоки из мокрого электрофильтра.
До поступления в систему ECO дымовые газы проходят через секции обычного (сухого) электрофильтра для улавливания основной массы грубых золовых частиц (рис. 3). Проверка технологии была осуществлена на ТЭС R Е Burger (г. Akron, штат Огайо) при сжигании высокосернистого битуминозного угля восточных месторождений. Установка была смонтирована на газовом байпасе блока мощностью 150 МВт, причем объем дымовых газов соответствовал мощности 2 МВт.
При оценке результатов работы пилотной установки независимой организацией (Air Compliance Testing Inc., Кливленд, штат Огайо), использующей утвержденный ЕРА Метод29, оказалось, что технология ECO снизила содержание РМ2,5 на 96,6%, а концентрация ртути в дымовых газах уменьшилась до такого уровня, который оказался ниже возможностей измерительных приборов (т.е. ниже 1,2 мкг на 1 м3 сухих дымовых газов). Таким образом, технология, разработанная для максимально возможного снижения выбросов NOx, может стать эффективным средством очистки дымовых газов от ртути и частиц размером менее 2,5 мкм.
В настоящее время Powerspan вместе с компанией First Energy разрабатывают промышленно-демонстрационную установку ECO на мощность 50 МВт. Эта установка, как ожидается, будет смонтирована и сдана в эксплуатацию в начале 2003 г. на той же электростанции R Е Burger.

Список литературы

  1. Swanekamp R. Emission-control technologies continue to clear the air. - Power, may / june 2002, № 3, vol. 146.
  2. Wood J. F. Got coal ? - Power, march / april 2001, № 2, vol. 145.
  3. Котлер В. P. Результаты внедрения различных методов подавления оксидов азота на ТЭС США. - Энергетик, 2002, №4.
  4. Clean Coal Technology Demonstration Program. Program Update. April 2000, US DOE, Washington, DC.
 
« Уроки использования возобновляемых источников энергии из Германии   Формирование объединенной энергосистемы стран Северной Африки »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.