Современные технологические способы подавления оксидов азота
Природоохранные
Технологии на ТЭС
Красноярск 2015
Содержание
Предисловие 5
Введение 11
1. Современные технологические способы подавления оксидов азота 12
1.1. Этапы развития котельной техники России 12
1.2. Двухступенчатое сжигание 24
1.3. Внедрение метода трехступенчатого сжигания
на угольных электростанциях в России и СНГ 33
1.4. Усовершенствование метода трехступенчатого сжигания 37
1.5. Концентрическое сжигание 41
1.6. Подача воды или пара в зону горения 47
1.7. Опыт МЭИ по подавлению оксидов азота впрыском воды
в зону горения 50
1.8. Рециркуляция дымовых газов 55
2. Сжигание топлив в кипящем слое 61
2.1. Сжигание твердых топлив в топках котлов с классическим
кипящим слоем 61
2.2. Топки с циркулирующим кипящим слоем 63
2.2.1. Отечественные котлы с циркулирующим кипящим слоем 64
2.2.2. Котлы с циркулирующим кипящим слоем под давлением 66
2.2.3. Котлы с циркулирующим кипящим слоем за рубежом 69
2.3. Сжигание твердых топлив с использованием
аэрофонтанных предтопков 79
3. Плазменная технология 86
4. Разработка новых конструкций топочных камер для сжигания углей 98
4.1. Вихревые топки с жидким шлакоудалением 101
4.2. Принцип технологии вихревого низкотемпературного сжигания 102
4.3.Пылеугольный котел с кольцевой топкой для крупных
энергоблоков 116
5. Низкоэмиссионные горелочные устройства 125
5.1. Газомазутные малотоксичные горелки 127
5.2 Зарубежные разработки малотоксичных горелок 132
5.2.1. Опыт внедрения малотоксичных горелок фирмой
Бабкок-Вилькокс 132
5.2.2. Опыт внедрения малотоксичных вихревых
горелок в Великобритании 135
5.2.3.Малотоксичные горелки, разработанные в Японии 142
5.3. Опыт внедрения малотоксичных зарубежных горелок в России 144
5.4. Работы ВТИ по созданию малотоксичных горелок 152
5.4.1. Вихревые горелки ВТИ 152
5.4.2. Работы ВТИ по применению предварительной
термоподготовки угольной пыли для создания горелочных устройств 155
5.5. Разработки Томь-Усинской ГРЭС и КГТУ по созданию
горелочного устройства для снижения оксидов азота при
сжигании каменных углей в топках с жидким
шлакоудалением 163
6. Разработка технологии сжигания углей с использованием
термической подготовки 173
6.1. Термическая подготовка углей в термоциклонных предтопках 175
6.2. Разработки ЭНИНа 175
6.3. Разработки СибВТИ 177
6.4. Работы КГТУ по созданию высокоэкономичного
малотоксичного котельного агрегата 178
6.5. Работы Политехнического института СФУ по
применению предварительной термической подготовки углей в
условиях тепловой электростанции для снижения оксидов
азота 182
7. Сжигание водотопливных суспензий 196
7.1. Основные технологические характеристики
водотопливных суспензий 196
7.2. Опыт применения водоугольных суспензий 199
7.3. Суспензионное топливо для мазутных ТЭС 204
7.4. Опыт применения водомазутных эмульсий на энергетических
котлах ТГМП-314 и ТГМ-96 ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго» 205
7.5.Разработки института «Новосибирсктеплоэлектропроект» 207
7.6. Исследования МЭИ (Технический университет) по
применению водомазутных эмультсий для улучшения
технико-экономических и экологических характеристик
котельных агрегатов 212
7.7. Технико-экономическая перспектива использования
суспензионного угольного топлива 217
8. Пассивные методы снижения токсичности дымовых газов 219
8.1. Химические методы очистки дымовых газов от оксидов серы 222
8.2. Химические методы очистки дымовых газов от оксидов азота 237
9. Золоулавливание на ТЭС 243
10. Мероприятия по снижению шума от оборудования ТЭС 251
11. Дымовые трубы ТЭС 253
12. Защита водоёмов от загрязнения сточными водами ТЭС 256
12.1.Характеристика сточных вод 256
12.2. Наиболее прогрессивные технические решения при
эксплуатации электростанций «Мосэнерго» за счет
внедрения кавитационных технологий 260
Заключение 266
Список использованных источников 267
Предисловие
В настоящее время Россия является одной из неблагополучных в экологическом отношении стран мира. Структура отечественной экономики, преобладающую роль в которой играют материало и энергоемкие отрасли промышленности, расходующие значительные объемы топливно-энергетических ресурсов, главным образом органического топлива – основного эмитента загрязняющих атмосферу веществ, высокий уровень ее энергоемкости, в среднем в 3 раза превышающий соответствующие показатели по ведущим промышленно-развитым странам, а также слабое обеспечение объектов энергетики и энергопотребляющих установок эффективными очистными сооружениями, обуславливают высокую экологическую напряженность в стране. /1/.
На современном этапе существует несколько основных возможностей если не прекращения, то хотя бы замедления темпов развития негативных экологических тенденций, обусловленных топливопотреблением. Среди них:
– дальнейшее увеличение доли наиболее экологически чистого органического топлива – природного газа в общем потреблении органического топлива и рост мощностей атомной энергетики;
– вовлечение в энергобаланс экологически чистых нетрадиционных возобновляемых источников энергии;
– массовое оснащение объектов энергопотребления современными очистными сооружениями;
– масштабная реализация энергосберегающих мероприятий.
Рост доли природного газа в структуре потребления первичных энергоресурсов, несомненно, дает хороший экологический эффект, однако имеет ограничения, в значительной степени связанные с проблемой обеспечения энергетической безопасности, которая, в свою очередь, во многом зависит от уровня диверсификации источников энергоснабжения.
В России возможности значительного увеличения выработки электроэнергии на АЭС в ближайшие годы весьма ограничены.
Нетрадиционные возобновляемые источники энергии, которые в ряде стран благодаря целенаправленной поддержке, осуществляемой их правительствами, вносят некоторый вклад в структуру энергопотребления, в целом, к сожалению, не выдерживают пока экономической конкуренции с традиционными видами топливо и энергоснабжения.
Тем не менее, на Саммите – 2007, в котором приняли участие 27 стран Европейского Союза, все страны, кроме Польши, Чехии и Болгарии приняли решение увеличить до 20 % долю возобновляемых источников энергии к 2020 году с одновременным ростом атомной энергетики.
Инициатором стоительства атомных станций выступила, как всегда, Франция, которая, как и Япония практически не имеет природных энергоресурсов. Это решение было принято ещё и потому, чтобы странам Европы как можно меньше зависеть от поставок энергоресурсов из других стран, в том числе и из России.
Что же касается очистных сооружений, многие из которых действительно очень эффективны, то их приобретение и установка требуют значительных капиталовложений, которые, в свою очередь, существенно влияют на рост издержек производства энергии, неплатежи за поставки которой в России приобрели за последние годы поистине массовый характер. По оценкам американских ученых, использование в энергетическом секторе технологий и оборудования, способных обеспечить 80–95%-ое предотвращение эмиссии в атмосферу двуокиси углерода и других загрязняющих веществ, повышает издержки производимой на органическом топливе энергии как минимум в 2–3 раза.
Все выше сказанное отнюдь не означает, что не следует вкладывать средства в развитие этих направлений. Опыт промышленно-развитых стран-членов Международного энергетического агентства (МЭА) свидетельствует, в частности, о том, что расходы на НИОКР в области атомной энергетики и нетрадиционных возобновляемых источников энергии являются приоритетными в структуре государственного финансирования исследований в энергетике. Работам по повышению эффективности и внедрению очистных сооружений и оборудования в энергетике и других секторах экономики за рубежом также уделяется большое внимание.
В России важными направлениями снижения негативного воздействия использования органического топлива на окружающую среду, во всяком случае, в ближайшие годы будут расширение использования природного газа и частичное замещение им более «грязных» углей и нефтяных топлив, и снижение энергоемкости экономики за счет ее структурной перестройки в направлении снижения в ней доли высокоэнергоемких производств, а также реализации широкомасштабных программ энергосбережения на федеральном, региональном и местном уровнях.
В странах МЭА на перспективу ближайшего десятилетия высший приоритет в структуре мероприятий, направленных на снижение негативного влияния процессов производства и использования энергии на окружающую среду, также отдан энергосбережению. По различным оценкам от 65 до 85% от общего объема снижения эмиссии СО2 страны МЭА планируют достичь именно за счет интенсификации процесса энергосбережения.
В странах-членах МЭА за последние десятилетия достигнуты существенные успехи по предотвращению выбросов в атмосферу сернистых загрязняющих веществ и золы-уноса. Во многих странах мира эта проблема считается практически решенной, правда, не без существенного увеличения удельных капиталовложений, особенно в тепловые электростанции, работающие на угле. В последнее время проблема локализации парникового эффекта, вызываемого эмиссией СО2 в атмосферу, выдвинулась в промышленно развитых странах на первый план.
Основным эмитентом двуокиси углерода в атмосферу в странах МЭА является сектор производства и преобразования энергии, на долю которого приходится до 40 % суммарного объема эмиссии СО2 при его удельном весе в структуре потребления первичной энергии, составляющем менее 30 %. В последние годы в качестве важнейшего мероприятия, направленного на снижение выбросов СО2 в атмосферу этим сектором, в странах МЭА рассматривается проведение энергоснабжающими компаниями акций по регулированию, а точнее, снижению потребительского спроса на энергоносители. Реализация этих мероприятий, ежегодные расходы, на проведение которых составляют в Ирландии 13 млн. долл., в Германии – 550 млн. долл., а в США доходят до 2 млрд. долл., позволяет решить сразу несколько ключевых проблем.
Во-первых, подобные мероприятия вносят существенный вклад в снижение энергоемкости экономики, а, следовательно, способствуют повышению уровня благосостояния общества и повышают его обеспеченность энергетическим сырьем, снижая масштабы необходимого импорта энергоресурсов.
Во-вторых, потребители различных категорий, зачастую не имеющие достаточных средств, за счет повышения уровня энергетической эффективности, могут значительно сократить свои затраты на приобретение энергоносителей.
В-третьих, энергоснабжающие компании, занимающиеся на первый взгляд парадоксальным бизнесом в сфере энергосбережения, направленным, в конечном счете, на снижение спроса на свою продукцию, экономят в результате на инвестициях, которые потребовались бы для расширения генерирующих мощностей и энерготранспортных коммуникаций, поддержания действующих объектов в рабочем состоянии и приобретения дополнительных объемов топлива.
В-четвертых, снижение расхода топливно-энергетических ресурсов автоматически влечет за собой и снижение эмиссии в атмосферу СО2 равно как и других вредных выбросов.
В данном случае постановка экологического эффекта, достигаемого в результате проведения мероприятий по регулированию потребительского спроса на энергоносители на то или иное место, является весьма условной, однако тот факт, что этот эффект достигается непосредственно за счет энергосбережения – неоспорим.
На уровне конечного потребления топлива и энергии основные усилия по снижению эмиссии СО2 в атмосферу сосредоточены на повышении энергетической и экологической эффективности транспорта, промышленности и коммунально-бытового сектора (включая сферу услуг).
Среди основных мероприятий государственной политики, осуществляемой в странах МЭА, направленной на снижение выбросов СО2 транспортным сектором, следует выделить:
– периодическое ужесточение стандартов топливной экономичности для автомобилей различных классов;
– осуществление программ государственной инспекционной проверки экологичности транспортного парка;
– налогообложение транспортных средств, дифференцируемое в зависимости от уровня удельных выбросов СО2;
– повышение роли общественного транспорта в структуре пассажирских перевозок;
– оптимизация системы грузовых перевозок;
– поддержка и осуществление программ, направленных на расширение использования экологически чистых альтернативным моторных топлив.
Из перечня приведенных выше мероприятий лишь государственные инспекционные проверки экологичности транспорта можно в полной мере отнести к мероприятиям чисто «экологического» характера. Все остальные меры в большей или меньшей степени стимулируют процесс энергосбережения.
Введение и периодическая корректировка стандартов топливной экономичности автомобилей, равно как и расширение использования общественного транспорта и совершенствование системы грузовых перевозок имеют ярко выраженную энергосберегающую направленность, а результаты, достигнутые в снижении энергоемкости транспортного сектора, ведут к уменьшению объема эмиссии СО2 и других загрязняющих веществ.
Налогообложение в зависимости от экологических характеристик автомобилей также в значительной степени стимулирует процесс энергосбережения на транспорте. Первоначально основной целью внедрения альтернативных моторных топлив на транспорте являлось замещение ими бензина, а экологическая компонента этой идеи обрела свою важность значительно позже. Таким образом, повышение экологической чистоты транспорта также напрямую зависит от масштабов и интенсивности процесса энергосбережения.
Среди первоочередных государственных мероприятий, направленных на снижение эмиссии загрязняющих веществ, и в первую очередь СО2, промышленностью, реализуемых в последние годы в странах-членах МЭА, необходимо отметить:
– введение и финансовую поддержку обязательных энергоаудитов на промышленных предприятиях;
–организацию и проведение рекламно-информационных и образовательных компаний;
–заключение соглашений между правительством и отраслями промышленности (отдельными крупными предприятиями), которые предусматривают добровольное снижение последними уровня эмиссии СО2 в атмосферу;
–введение налогов на энергоресурсы и углерод;
–экономическое стимулирование инвестиций в энергосбережение.
Основной целью энергоаудитов является выявление непроизводительных потерь энергоресурсов и резервов для экономии энергии, позволяющих с наименьшими затратами снизить энергоемкость промышленного производства.
Проведение информационных кампаний ориентировано на повышение осведомленности промышленных потребителей о наличии на рынке различных типов энергетически эффективного оборудования с низким уровнем загрязнения среды, а также о наиболее низкозатратных и эффективных мерах по энергосбережению и охране окружающей среды.
Принятие промышленными предприятиями добровольных обязательств по снижению уровня эмиссии СО2 предусматривает прежде всего проведение энергосберегающих мероприятий, так как эффективные и экономически приемлемые технологии и оборудование, способные улавливать и адсорбировать СО2 из продуктов сгорания органического топлива, на сегодня практически отсутствуют. Действие налоговой системы в сфере энергетики, в частности налога на углерод, имеет целью стимулировать как повышение использования более экологичных видов топлива для производства энергии (к ним относятся природный газ и возобновляемые источники энергии), так и интенсификацию процесса энергосбережения.
Активное использование в странах МЭА экономических стимулов, способствующих привлечению частных инвестиций в энергосбережение с целью предотвращения роста концентрации в атмосфере двуокиси углерода, является еще одним ярким свидетельством того, что промышленно развитые страны на современном этапе рассматривают энергосбережение как наиболее реальную с технологической и экономической точек зрения возможность для предотвращения глобального потепления климата.
К мерам государственного регулирования, практикуемым в странах МЭА, направленным на снижение выбросов парниковых газов в этом секторе следует в первую очередь отнести:
– введение жесткого контроля за соблюдением стандартов энергетической эффективности для зданий и электробытовых приборов, с обязательной маркировкой удельного энергопотребления последними;
– предоставление владельцам зданий различных финансовых стимулов и льгот (грантов, субсидий, налоговых скидок и т.д.) при приобретении и установке энергоэффективного оборудования и использовании энергосберегающих материалов;
– оказание технической помощи (включая энергоаудиты) и информационной поддержки, направленных на повышение энергоэффективности зданий и сооружений.
Даже беглый взгляд на приведенный выше перечень мероприятий подтверждает тезис о том, что энергосбережение будет продолжать развиваться.
Во-вторых, согласно ряду оценок, сделанных российскими экспертами, от четверти до трети этого потенциала может быть реализовано за счет осуществления незатратных или малозатратных мероприятий.
В-третьих, в зарубежных промышленно развитых странах за три последних десятилетия накоплен значительный позитивный опыт в формировании и реализации мероприятий в рамках государственной энергосберегающей политики, который может найти хорошее применение в условиях России.
В-четвертых, как в России, так и за рубежом имеется весьма обширный спектр высокоэффективного энергосберегающего оборудования, приборов, материалов и систем, позволяющих существенно снизить непроизводительный расход топливно-энергетических ресурсов и покончить с их расточительством.
В-пятых, даже в условиях инвестиционного кризиса, охватившего экономику России, имеется возможность для масштабного привлечения отечественных и зарубежных частных инвестиций в сферу энергосбережения благодаря схеме возврата капитала за счет сэкономленных потребителями энергоресурсов, которая уже на протяжении ряда лет применяется в зарубежных странах.
Введение
Под экологической безопасностью объектов энергетики понимается сохранение в регламентируемых пределах возможных отрицательных последствий воздействия этих объектов на природную среду. Регламентация негативных последствий связана с тем, что нельзя добиться полного исключения экологического ущерба.
В связи с этим, отрицательные последствия воздействия энергетики на окружающую среду следует ограничивать некоторым минимальным уровнем, например, социально-приемлемым допустимым уровнем. При этом должны обязательно работать экономические механизмы, реализующие компромисс между качеством среды обитания и социально-экономическими условиями жизни населения. Конечно, социально-приемлемый риск будет зависеть от многих факторов, в частности, от особенностей объекта энергетики.
Экологическая безопасность энергетики в соответствии с «Энергетической стратегией 2020» является одним из ориентиров долгосрочной государственной энергетической политики России.
В настоящее время происходит непрерывное совершенствование подходов к системе обучения студентов в вузах. Одновременно с этим возрастают требования к повышению качества подготовки инженеров. В первую очередь это касается специалистов в области энергетики. В связи с этим возникла необходимость издания данной книги.
Настоящее учебное пособие написано в соответствии с программой курса «Природоохранные технологии на ТЭС» и предназначено для студентов энергетических специальностей, как дневной, так и заочной форм обучения.
Цель данной книги – ознакомить студентов с современными природоохранными технологиями производства тепла и электрической энергии на тепловых электрических станциях как в России, так и за рубежом.
Рассмотрены различные современные энергетические технологии, позволяющие значительно снизить выбросы вредных веществ в окружающую среду. В учебном пособии приведено большое количество иллюстраций, отражающих физическую сущность протекающих процессов и дающих возможность студентам глубже ознакомиться с энергетическими схемами и устройствами.
Авторы выражают глубокую признательность всем сотрудникам кафедр «Тепловые электрические станции», «Экология энергетики» Политехнического института Сибирского федерального университета за ценные замечания при подготовке рукописи.
Авторы с благодарностью примут все пожелания и замечания по данному учебному пособию, которые следует направлять по адресу: 660074, Красноярск, ул. Киренского, д.26, ИПК СФУ.
Современные технологические способы подавления оксидов азота