Пассивные методы снижения токсичности дымовых газов при сжигании топлив
Подготовка России к вступлению во Всемирную торговую организацию (ВТО) обязывает отечественную энергетику производить экологически чистую электроэнергию. В это понятие вкладывается, в первую очередь, необходимость глубокой очистки продуктов сгорания от летучей золы, оксидов азота, диоксида серы (SO2), загрязняющих окружающую природную среду.
Нормативы второго протокола к Международной конвенции о трансграничном переносе диоксида серы ограничили выбросы SO2 одновременно как концентрацией (минимальная 400 мг/м3), так и степенью сероочистки (максимальная 90%). Сейчас Европейским союзом для новых и действующих ТЭС приняты новые нормативы удельных выбросов диоксида серы, приведенные в табл. 8.1.
В Российской Федерации на долю угольных тепловых электростанций в 2005 г. приходилось 27,7 % сожженного условного топлива. С намеченным изменением топливного баланса в энергетике согласно Стратегии развития до 2020 года относительная доля угля к 2015 г. должна увеличиться до 34,9 % при одновременном количественном росте потребления этого топлива с 68,44 млн. т условного топлива в 2001 г. до 122,30 млн. т условного топлива в 2015 г. Это, естественно, приведет к росту выбросов диоксида серы до 2,4 млн. т, т.е. почти вдвое.
Поэтому проблема снижения выбросов диоксида серы с дымовыми газами угольных ТЭС является для отечественной энергетики весьма актуальной.
Основным твердым топливом в России являются энергетические угли Кузнецкого, Канско-Ачинского, Экибастузского, Интинского (Воркутинского) и Донецкого бассейнов, Азейского, Мугунского, Головинского, Артемовского, Партизанского и других месторождений, а также ряд местных углей.
Приведение отечественных нормативов в соответствие с европейскими будет сопровождаться введением для действующих ТЭС технических нормативов на выбросы загрязняющих веществ, в том числе диоксида серы. Технологии сероочистки для отечественных тепловых электростанций, обеспечивающие регламентированные концентрации SO2 в очищенных газах, в зависимости от мощности котельных агрегатов и сернистости сжигаемого топлива, можно разделить на три категории:
– для котлов малой и средней мощности, сжигающих мало и среднесернистое топливо, со степенью сероочистки 30–35 %;
– для котлов малой и средней мощности, сжигающих среднесернистое топливо, со степенью сероочистки 50–60%;
Таблица 8.1.
Нормативы удельных выбросов в атмосферу оксидов серы котельными установками для твердых и жидких топлив (ГОСТ Р 50831-95)
| Тепловая мощность котла Q,МВт (паропроизподи-тельность котла D, т/ч) | Приведенное содержание серы, Srпр,• кг/МДж | Ввод котельных установок на ТЭС до 31 декабря 2000 г. | Ввод котельных установок на ТЭС с 1 января 2001 г. | ||||
| Массовый выброс SOx на единицу тепловой энергии, г/МДж | Массовый выброс SOx,кг/т у.т. | Массовая* концентрация SOx в дымовых газах при α = 1,4, мг/м3 | Массовый выброс SOx на единицу тепловой энергии, г/МДж | Массовый выброс SOxкг/т у.т. | Массовая* концентрация SOxв ымовых газах при α = 1,4, мг/м3 | ||
| До 199 (до 320) | 0,045и менее | 0,875 | 25,7 | 0,5 | 14,7 | ||
| Более 0,045 | 1,500 | 44,0 | 0,6 | 17,6 | |||
| 200—249 (320—400) | 0,045 и менее | 0,875 | 25,7 | 0,4 | 11,7 | ||
| Более 0,045 | 1,500 | 44,0 | 0,45 | 13,1 | |||
| 250—299 (400—420) | 0,045 и менее | 0,875 | 25,7 | 0,3 | 8,8 | ||
| Более 0,045 | 1,500 | 44,0 | 0,3 | 8,8 | |||
| 300 и более (420 и более) | 0,045 и менее | 0,875 | 25,7 | 0,3 | 8,8 | ||
| Более 0,045 | 1,300 | 38,0 | 0,3 | 8,8 |
* При нормальных условиях (температура 0 °С, давление 101,3 кПа), рассчитанная на сухие газы.
Следует отметить, что независимо от тепловой мощности энергоустановки выбросы SO2 на установках, работающих на природном газе составляют 35 мг/м3, на сжиженном – 5 мг/м3.
Одной из проблем защиты воздушного бассейна является снижение выброса диоксида серы, ежегодное поступление которого в атмосферу при сжигании органических топлив исчисляется миллионами тонн.
Метод очистки дымовых газов от SO2 следует разделить на химические (пассивные) и технологические (активные).
Химические методы очистки могут быть подразделены на циклические (замкнутые), в которых адсорбент (поглощающее твердое или жидкое вещество) регулируется и поглощается в цикл, а улавливаемый диоксид серы используется, и нециклические (разомкнутые), где регенерация адсорбента и других веществ не производится.
Кроме того, методы сероочистки подразделяются на сухие и мокрые.
Следует учитывать также, что циклические способы очистки значительно дороже по эксплуатационным расходам нециклических вариантов.
Следует отметить, что в литературе практически отсутствует данные по выбросам оксидов серы в развивающихся странах Азии, Латинской Америки, Африки. В целом, экологическая политика в этих регионах находится на низком уровне: в большинстве этих стран до настоящего времени нет систем контроля вредных выбросов. Поэтому в ближайшем будущем здесь вряд ли можно ожидать заметных достижений по снижению эмиссии SO2.
В то же время все европейские страны и высокоразвитые государства (США, Канада, Япония) объединены в различные организационные структуры (например, OECD-организация экономического сотрудничества и развития), в которых они успешно решают технические и организационные проблемы, касающиеся технологии очистки дымовых газов, нормирования выбросов, контроля трансграничных переносов и др. Эти страны, координируя свою деятельность, участвуют в разработке программ, таких как, программа ООН по развитию окружающей среды (UNEP), Всемирная программа мониторинга окружающей среды (GEMS), Программа Всемирной Организации Здравоохранения (WHO) и т. д. В связи с этим в промышленно развитых странах контроль за загрязнением воздуха оксидами серы начал осуществляться еще в 60-х годах прошлого столетия. Первые принятые законы о чистом воздухе устанавливали предельно допустимые концентрации (ПДК) оксидов серы в атмосферы и обязали электрокомпании контролировать содержание серы в топливе и оснащать ТЭС высокими трубами для рассеивания дымовых газов в верхних слоях атмосферы.
Позже возник интерес к проблеме выбросов SO2, переносимых в атмосфере на большие расстояния от источников загрязнения. Предметом особых забот стали «кислотные дожди», и внимание специалистов и общественности переключилось с проблемы воздействия местных выбросов на проблему трансграничного переноса SО2 и воздействия на экосистемы. Первым международным соглашением по сокращению выбросов диоксида серы была Конвекция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния, подписанная в 1979 г. и вступившая в силу в 1983 г. В 1985 г. 21 страна-участница конвекции подписала протокол об ограничении выбросов серы или их трансграничных потоков, образовав так называемый «30%-ный клуб». Протокол вступил в силу в 1987 г.
Осуществление подобных международных соглашений потребовало введения соответствующих положений в национальное законодательство. К настоящему времени многие государства ввели законодательное регулирование выбросов оксидов серы, разработав нормативы на степень улавливания SО2 из дымовых газов и нормы предельно допустимых выбросов оксидов серы на единицу объема уходящих газов, единицу установленной мощности или выработанной энергии. В некоторых случаях подобные меры контроля дополняются нормативами на использование топлива и на качество последнего. Так, для сжигания угля в паровых котлах любой мощности в Дании введен норматив на содержание серы в топливе 1,2 %, а в Германии и Италии даже 1 %. Иногда механизмы контроля выбросов включают требования по применению технологических методов сокращения эмиссии SО2. В США, например, это требование, сформулировано как обязательное использование наилучшей из доступных и экономически приемлемой технологии для минимизации выбросов оксидов серы.