Назад в библиотеку

Комплексное использование углей на ТЭС

Автор   Л.М.Делицын, А.С.Власов
Источник: Научно-технический журнал «Горная промышленность» №3 – 2001.

Аннотация:  В работе рассмотрены перспективы использования энерготехнологических комбинатов по комплексному использованию углей, кот­рые наряду с производством электрической и тепловой энергии будут производить дополнительно стройматериалы, глинозём, цемент и др. виды горнохимической продукции.


Содержание работы:

Терриконы Со­вре­мен­ное со­сто­я­ние энер­ге­ти­ки Рос­сии ха­рак­те­ри­зу­ет­ся ши­ро­ким ис­поль­зо­ва­ни­ем при­род­но­го га­за для про­из­вод­ст­ва эле­к­т­ри­че­с­кой и теп­ло­вой энер­гии. Вме­с­те с тем, скла­ды­ва­ю­ща­я­ся в на­сто­я­щее вре­мя эко­но­ми­че­с­кая си­ту­а­ция в стра­не и но­вые эко­но­ми­че­с­кие от­но­ше­ния меж­ду субъ­ек­та­ми хо­зяй­ст­во­ва­ния тре­бу­ют уве­ли­че­ния до­ли уг­лей в топ­лив­ном ба­лан­се эле­к­т­ро­стан­ций, ко­то­рая в на­сто­я­щее вре­мя со­став­ля­ет D25–29%. Од­на­ко рас­ши­ре­ние до­ли ис­поль­зо­ва­ния уг­лей в энер­ге­ти­ке свя­за­но с це­лым ря­дом не­га­тив­ных по­след­ст­вий, ко­то­рые транс­фор­ми­ру­ют­ся в се­рь­ёз­ные тех­ни­че­с­кие труд­но­с­ти и зна­чи­тель­ные эко­но­ми­че­с­кие за­тра­ты. В ча­ст­но­с­ти, уже­с­то­ча­ю­щи­е­ся тре­бо­ва­ния эко­ло­ги­че­с­кой бе­зо­пас­но­с­ти про­из­вод­ст­ва тре­бу­ют ре­ше­ния про­бле­мы очи­ст­ки ды­мо­вых га­зов и ути­ли­за­ции золь­ных и шла­ко­вых от­хо­дов. При этом по­след­ние по мас­шта­бам на­коп­ле­ния со­по­с­та­ви­мы с объ­ё­ма­ми до­бы­чи руд на круп­ных ме­с­то­рож­де­ни­ях гор­но­хи­ми­че­с­ко­го сы­рья.
http://www.mining-media.ru/files.php?f=2157
Зна­че­ния нор­ма­ти­вов вы­бро­сов вред­ных ве­ществ для ко­тель­ных ус­та­но­вок сред­ней и боль­шой мощ­но­с­ти, пред­став­лен­ные в табл.?1, от­ра­жа­ют ско­рее тех­ни­че­с­кие воз­мож­но­с­ти энер­ге­ти­ки, но не тре­бо­ва­ния эко­ло­гии. По­это­му ок­ру­жа­ю­щая сре­да в зо­не дей­ст­вия теп­ло­вых эле­к­т­ро­стан­ций бы­с­т­ро де­гра­ди­ру­ет, а ее на­ру­ше­ние при­во­дит к се­рь­ез­ным эко­но­ми­че­с­ким и со­ци­аль­ным по­след­ст­ви­ям (сни­же­ние про­дук­тив­но­с­ти сель­хо­зу­го­дий, на­ру­ше­ние здо­ро­вья лю­дей, кис­лот­ная кор­ро­зия зда­ний и со­ору­же­ний, сни­же­ние кон­цен­т­ра­ции кис­ло­ро­да и т.д.), ко­то­рые не учи­ты­ва­ют­ся в ме­то­ди­ках оцен­ки ущер­ба от де­я­тель­но­с­ти эле­к­т­ро­стан­ций.
http://www.mining-media.ru/files.php?f=2158
Срав­не­ние раз­лич­ных ви­дов топ­ли­ва по сте­пе­ни вред­но­с­ти воз­мож­но по со­от­но­ше­нию ча­ст­ных по­ка­за­те­лей вред­но­с­ти (ПА, ПSO2, ПNOx, ПV2O5), вы­ра­жен­ных в до­лях ПДК со­от­вет­ст­ву­ю­щих ве­ществ (табл. 2).
Из при­ве­ден­ных дан­ных вид­но, что ды­мо­вые га­зы из уг­лей име­ют бо­лее вы­со­кие по­ка­за­те­ли вред­но­с­ти, чем та­ко­вые из при­род­но­го га­за. В этой свя­зи, од­ной из ос­нов­ных про­блем энер­ге­ти­ки ХХI ве­ка бу­дет до­ве­де­ние эко­ло­ги­че­с­кой бе­зо­пас­но­с­ти ТЭС, ра­бо­та­ю­щих на уг­ле, до уров­ня эле­к­т­ро­стан­ций, ра­бо­та­ю­щих на при­род­ном га­зе. Толь­ко при этом ус­ло­вии воз­мож­но уве­ли­че­ние вы­ра­бот­ки эле­к­т­ро­энер­гии ТЭС, ра­бо­та­ю­щи­ми на уг­ле. Од­на­ко, при со­вре­мен­ной тех­но­ло­гии сжи­га­ния уг­лей воз­мож­но­с­ти сни­же­ния вы­бро­сов ТЭС весь­ма ог­ра­ни­че­ны.
http://www.mining-media.ru/files.php?f=2159
Умень­ше­ние ко­ли­че­ст­ва вы­бро­сов ок­си­дов се­ры и пы­ли воз­мож­но пу­тём ис­поль­зо­ва­ния бо­лее ка­че­ст­вен­но­го уг­ля, име­ю­ще­го низ­кое со­дер­жа­ние зо­лы и се­ры, а так­же за счёт со­зда­ния бо­лее эф­фек­тив­ной ап­па­ра­ту­ры по очи­ст­ке ды­мо­вых га­зов. Обо­га­ще­ние уг­ля не ре­ша­ет этих про­блем ко­рен­ным об­ра­зом, т.к. поз­во­ля­ет не­сколь­ко сни­зить золь­ность уг­ля и все­го на 15–20% умень­шить в нём со­дер­жа­ние се­ры. Од­но­вре­мен­но воз­ни­ка­ют про­бле­мы с ис­поль­зо­ва­ни­ем от­хо­дов уг­ле­обо­га­ще­ния, ко­то­рые не­об­хо­ди­мо скла­ди­ро­вать; при этом они так­же не без­вред­ны. Стро­и­тель­ст­во вы­со­ких труб ТЭС так­же не ре­ша­ет эти за­да­чи, т.к. умень­шая кон­цен­т­ра­цию вред­ных ве­ществ в при­зем­ных сло­ях ат­мо­сфе­ры в рай­о­не не­по­сред­ст­вен­но­го дей­ст­вия ТЭС, они толь­ко уве­ли­чи­ва­ют пло­щадь и вре­мя за­гряз­не­ния тер­ри­то­рии до опас­ных пре­де­лов.
http://www.mining-media.ru/files.php?f=2160
К со­жа­ле­нию за по­след­нее сто­ле­тие в энер­ге­ти­ке не бы­ло най­де­но оп­ти­маль­но­го ре­ше­ния в раз­ра­бот­ке и стро­и­тель­ст­ве си­с­тем пы­ле­га­зоочи­ст­ки ды­мо­вых га­зов. Да­же луч­шие из этих си­с­тем, не ре­шая про­бле­мы в це­лом, уве­ли­чи­ва­ют сто­и­мость ус­та­нов­лен­но­го ки­ло­ват­та мощ­но­с­ти на ТЭС на 30–40%, а се­бе­с­то­и­мость вы­ра­ба­ты­ва­е­мой энер­гии на 15–20%. Ка­пи­та­ло­вло­же­ния в си­с­те­му га­зо­очи­ст­ки до­ста­точ­но ве­ли­ки и обыч­но со­став­ля­ют 30–60% от сто­и­мо­с­ти ос­нов­но­го обо­ру­до­ва­ния. При­ме­ня­е­мый в про­мы­ш­лен­но­с­ти спо­соб очи­ст­ки ды­мо­вых га­зов ТЭС от SO2 с ис­поль­зо­ва­ни­ем из­ве­с­ти (CaO) или из­ве­ст­ня­ка (CaO3) не­до­ста­точ­но эф­фек­ти­вен, по­сколь­ку сте­пень улав­ли­ва­ния се­ры этим ме­то­дом со­став­ля­ет 50–80%. Кро­ме то­го, на ней­т­ра­ли­за­цию 1 т се­ры те­о­ре­ти­че­с­ки тре­бу­ет­ся из­рас­хо­до­вать 3 т из­ве­ст­ня­ка. Учи­ты­вая, что уже сей­час вы­бро­сы се­ры теп­ло­вы­ми уголь­ны­ми эле­к­т­ро­стан­ци­я­ми пре­вы­ша­ют 4 млн.т в год, то на ней­т­ра­ли­за­цию эк­ви­ва­лент­но­го ко­ли­че­ст­ва SO2 по­тре­бу­ет­ся не ме­нее 12 млн.т из­ве­ст­ня­ка. Прак­ти­че­с­ки же рас­ход из­ве­ст­ня­ка дол­жен со­ста­вить 18–23 млн.т. Об­ра­зу­ю­щи­е­ся при этом суль­фат-суль­фит­ные шла­мы не мо­гут быть ис­поль­зо­ва­ны в на­род­ном хо­зяй­ст­ве и толь­ко уве­ли­чи­ва­ют объ­ё­мы зо­ло-шла­мо­хра­ни­лищ ТЭС поч­ти в 1.5 ра­за.
http://www.mining-media.ru/files.php?f=2161
Зна­чи­тель­но боль­шее со­дер­жа­ние ок­си­дов азо­та при сжи­га­нии уг­лей, чем при сжи­га­нии при­род­ных га­зов, свя­за­но с об­ра­зо­ва­ни­ем в топ­ках так на­зы­ва­е­мых «топ­лив­ных» ок­си­дов азо­та, т.е. со­еди­не­ний, об­ра­зу­ю­щих­ся из азо­та ор­га­ни­че­с­кой мас­сы уг­ля. По­это­му сни­зить со­дер­жа­ние ок­си­дов азо­та в ухо­дя­щих га­зах при сжи­га­нии уг­лей до уров­ня их со­дер­жа­ния в про­дук­тах сго­ра­ния га­за в на­сто­я­щее вре­мя не­воз­мож­но.
По­ми­мо га­зо­вых и пы­ле­вых вы­бро­сов зна­чи­тель­ный ущерб при­род­ной сре­де на­но­сят шла­ко- и зо­ло­от­ва­лы ТЭС. За­ни­ма­е­мая ими пло­щадь со­став­ля­ет око­ло 20 тыс. га и еже­год­но уве­ли­чи­ва­ет­ся при­мер­но на 4% (табл. 3).
Сте­пень ис­поль­зо­ва­ния зо­ло-шла­ко­вых от­хо­дов в Рос­сии не­ве­ли­ка. В 1990–91?гг. в РФ ис­поль­зо­ва­лось 3.8?млн. т зо­лы и шла­ка ТЭС, а в на­сто­я­щее вре­мя ис­поль­зу­ет­ся толь­ко 1.8?млн. т в год (3.6% вы­хо­да). Это объ­яс­ня­ет­ся тем, что в том ви­де, в ка­ком зо­ла и шлак от­пу­с­ка­ют­ся с ТЭС, они мо­гут быть ис­поль­зо­ва­ны в весь­ма не­боль­ших объ­ё­мах в ка­че­ст­ве до­ба­вок или на­пол­ни­те­лей при про­из­вод­ст­ве стро­и­тель­ных ма­те­ри­а­лов.
Кар­ди­наль­ное ре­ше­ние из­ло­жен­ных про­блем да­ёт толь­ко ком­плекс­ное ис­поль­зо­ва­ние уг­лей, ос­но­ван­ное на га­зи­фи­ка­ции ор­га­ни­че­с­кой мас­сы уг­лей при пол­ном ис­поль­зо­ва­нии их ми­не­раль­ных ком­по­нен­тов. Тех­но­ло­гия ком­плекс­но­го ис­поль­зо­ва­ния уг­лей ре­ша­ет це­лый ряд круп­ных на­уч­но-тех­ни­че­с­ких про­блем:

В Рос­сии имел­ся боль­шой опыт по га­зи­фи­ка­ции уг­лей, и к 1958 го­ду в экс­плу­а­та­ции на­хо­ди­лось свы­ше 350?га­зо­ге­не­ра­тор­ных стан­ций, на ко­то­рых бы­ло ус­та­нов­ле­но 2500 га­зо­ге­не­ра­то­ров раз­лич­ных раз­ме­ров и кон­ст­рук­ций, вы­ра­ба­ты­вав­ших D35 млрд. м3 ото­пи­тель­ных и тех­но­ло­ги­че­с­ких га­зов. В 60-х го­дах в свя­зи с ин­тен­сив­ным вне­д­ре­ни­ем при­род­но­го га­за про­из­вод­ст­во ис­кус­ст­вен­но­го га­за бы­ло прак­ти­че­с­ки пре­кра­ще­но.
http://www.mining-media.ru/files.php?f=2162
Ра­бо­ты в этой об­ла­с­ти энер­ге­ти­ки пе­ре­шли в ста­дию НИР и ОКР. Про­цесс га­зи­фи­ка­ции от­ра­ба­ты­вал­ся для уг­лей раз­лич­ных ма­рок Кан­ско-Ачин­ско­го и Куз­нец­ко­го бас­сей­нов, При­озёр­но­го и Шу­бар­куль­ско­го ме­с­то­рож­де­ний, вы­со­ко­золь­ных уг­лей Па­ми­ра, Эки­ба­с­туз­ско­го и Под­мо­с­ков­но­го бас­сей­нов, уг­лей стран Вос­точ­ной Ев­ро­пы и др. Ре­зуль­та­ты этих НИР бы­ли ис­поль­зо­ва­ны при раз­ра­бот­ке про­ек­та па­ро­га­зо­вой ус­та­нов­ки с вну­т­ри­цик­ло­вой га­зи­фи­ка­ци­ей уг­ля ОП­ГУ-250, стро­и­тель­ст­во ко­то­рой на­ме­ча­лось на Ки­ров­ской ТЭЦ-5. Со­глас­но про­ект­ным дан­ным эта ус­та­нов­ка по срав­не­нию с обыч­ной тех­но­ло­ги­ей сжи­га­ния уг­ля обес­пе­чи­ва­ет (да­же без учё­та про­из­вод­ст­ва сер­ной кис­ло­ты) эко­но­мию топ­ли­ва на 8%, эко­но­мию ка­пи­таль­ных за­трат на 10%, эко­но­мию при­ве­ден­ных за­трат до 11%. Кро­ме то­го, по про­ек­ту ОП­ГУ с вну­т­рен­ней га­зи­фи­ка­ци­ей рас­ход ме­тал­ла со­ста­вит 9.1 кг/кВт'ч, тог­да как на су­ще­ст­ву­ю­щих ТЭЦ он со­став­ля­ет 23 кг/кВт'ч. При этом воз­дей­ст­вие на ок­ру­жа­ю­щую сре­ду ока­зы­ва­ет­ся го­раз­до ме­нее зна­чи­тель­ным.
Круп­ные за­ру­беж­ные фир­мы, за­ни­ма­ю­щи­е­ся тех­но­ло­ги­ей пе­ре­ра­бот­ки уг­лей, до­ста­точ­но ин­тен­сив­но про­дол­жа­ют ре­а­ли­за­цию сво­их на­уч­но-тех­ни­че­с­ких про­грамм по га­зи­фи­ка­ции уг­лей, счи­тая, что при бла­го­при­ят­ной конъ­юнк­ту­ре они мо­гут дать ос­но­ву для со­зда­ния боль­ших про­из­вод­ст­вен­ных мощ­но­с­тей. В на­сто­я­щее вре­мя в раз­лич­ной ста­дии го­тов­но­с­ти к про­мы­ш­лен­но­му вне­д­ре­нию на­хо­дит­ся бо­лее 30 раз­ра­бо­ток по га­зи­фи­ка­ции уг­лей (РУР-100, Шелл-Коп­перс и др.).
На­коп­лен­ный ог­ром­ный опыт по тех­но­ло­гии га­зи­фи­ка­ции уг­лей да­ёт ос­но­ва­ние счи­тать, что со­зда­ние мощ­но­го га­зо­ге­не­ра­то­ра для энер­ге­ти­ки впол­не ре­аль­но уже в не­да­лё­ком бу­ду­щем. Это бу­дут ус­та­нов­ки мощ­но­с­тью 60–100 т/час по уг­лю (или 100–150 тыс. м3/час по га­зу), ра­бо­та­ю­щие под дав­ле­ни­ем 1–2 МПа, с уме­рен­ным обо­га­ще­ни­ем ду­тья кис­ло­ро­дом (до 40–50%). Га­зи­фи­ка­ция уг­ля бу­дет про­из­во­дить­ся во взве­шен­ном со­сто­я­нии (ки­пя­щий слой, цир­ку­ли­ру­ю­щий ки­пя­щий слой, фа­кель­ный ре­жим и т.п.) с су­хим зо­ло­уда­ле­ни­ем. Тех­но­ло­гия очи­ст­ки ге­не­ра­тор­ных га­зов от пы­ли и сер­ни­с­тых со­еди­не­ний мо­жет быть впол­не по­за­им­ст­во­ва­на из дру­гих от­рас­лей, на­при­мер, из­ве­с­тен мно­го­лет­ний опыт ра­бо­ты Ще­кин­ско­го га­зо­во­го за­во­да. Из­ве­ст­ны так­же спо­со­бы по­лу­че­ния се­ры или сер­ной кис­ло­ты из улов­лен­ных се­ро­со­дер­жа­щих га­зов.
Об­ра­зу­ю­ща­я­ся в про­цес­се га­зи­фи­ка­ции зо­ла пред­став­ля­ет со­бой цен­ное ми­не­раль­ное сы­рьё, ко­то­рое мо­жет быть ис­поль­зо­ва­но в стро­и­тель­ной ин­ду­с­т­рии, сель­ском хо­зяй­ст­ве (для ней­т­ра­ли­за­ции кис­лых почв), ме­тал­лур­гии, гор­ном де­ле и др. от­рас­лях. По хи­ми­че­с­ко­му со­ста­ву зо­лы на 94–96% со­сто­ят из SiO2, Al2O3, Fe2O3 и CaO; 4–6% мас­сы зо­лы при­хо­дит­ся на до­лю MgO, Na2O, K2O, TiO2, P2O5 и MnO, ко­то­рые са­мо­сто­я­тель­но­го зна­че­ния не име­ют, и це­ло­го ря­да ред­ких эле­мен­тов, из ко­то­рых гер­ма­ний и уран име­ют про­мы­ш­лен­ное зна­че­ние, и по ним под­счи­ты­ва­ют­ся за­па­сы в ус­та­нов­лен­ном по­ряд­ке, а Sc, Ga, Zr, V, Nb, Tr2O3, Au, Ag, пла­ти­но­и­ды мо­гут из­вле­кать­ся в ка­че­ст­ве по­пут­ной про­дук­ции. Ос­нов­ные на­прав­ле­ния ис­поль­зо­ва­ния зо­лы и шла­ка ТЭС в стро­и­тель­ной ин­ду­с­т­рии пред­став­ле­ны на рис. 1, и они мо­гут со­ста­вить не ме­нее 10–12 млн.т/год.
Кро­ме то­го, зо­лы це­ло­го ря­да уголь­ных ме­с­то­рож­де­ний РФ со­дер­жат 30-40% Al2O3, что ста­вит их в раз­ряд ис­точ­ни­ков сы­рья для круп­но­тон­наж­но­го про­из­вод­ст­ва гли­но­зё­ма. По та­ким кри­те­ри­ям ка­че­ст­ва, как от­но­ше­ние Al2O31SiO2I0.6 и Al2O31Fe2O3<9 вы­со­ко­гли­но­зё­ми­с­тые зо­лы очень близ­ки к не­фе­ли­но­во­му кон­цен­т­ра­ту и урти­там. Дан­ное сы­рьё впол­не мо­жет пе­ре­ра­ба­ты­вать­ся ана­ло­гич­но то­му, как это де­ла­ет­ся для не­фе­ли­но­во­го сы­рья на Вол­хов­ском, Пи­ка­лёв­ском и Кан­ско-Ачин­ском ком­би­на­тах. Схе­ма пе­ре­ра­бот­ки зо­лы по спе­ка­тель­ной тех­но­ло­гии с из­ве­ст­ня­ком пред­став­ле­на на рис.?2. Она вклю­ча­ет в се­бя по­лу­че­ние са­мо­рас­сы­па­ю­щих­ся спё­ков, со­сто­я­щих из двух­каль­ци­е­во­го си­ли­ка­та (b®g 2CaO'SiO2) и рас­тво­ри­мых алю­ми­на­тов каль­ция (CaO'Al2O3, 5CaO'3Al2O3), со­до­вое вы­ще­ла­чи­ва­ние, обес­крем­ни­ва­ние алю­ми­нат­но­го рас­тво­ра, его кар­бо­ни­за­цию и каль­ци­на­цию осад­ка с по­лу­че­ни­ем то­вар­но­го гли­но­зё­ма. Об­ра­зу­ю­щий­ся при вы­ще­ла­чи­ва­нии спё­ков бе­ли­то­вый шлам по сво­им фи­зи­ко-хи­ми­че­с­ким свой­ст­вам яв­ля­ет­ся сы­рь­ём, под­го­тов­лен­ным для це­мент­но­го про­из­вод­ст­ва.
Для вы­со­ко­же­ле­зи­с­тых зол воз­мож­но вы­де­ле­ние же­ле­зо­со­дер­жа­ще­го кон­цен­т­ра­та, близ­ко­го по со­ста­ву же­ле­зо­руд­но­му аг­ло­ме­ра­ту, ко­то­рый пе­ре­ра­ба­ты­ва­ет­ся ме­то­дом вос­ста­но­ви­тель­ной плав­ки с по­лу­че­ни­ем ме­тал­ла (Fe>95%), суль­фа­та алю­ми­ния (ко­а­гу­лянт) и ред­ко­ме­таль­ных кон­цен­т­ра­тов (на­при­мер, скан­ди­е­во­го) (рис. 3).
Зо­лы ТЭС, ко­то­рые по со­дер­жа­нию ли­ми­ти­ру­е­мых ком­по­нен­тов или иным при­чи­нам, не от­ве­ча­ют тре­бо­ва­ни­ям стро­и­тель­ной, ме­тал­лур­ги­че­с­кой и др. от­рас­лей, оче­вид­но, мож­но ис­поль­зо­вать в ка­че­ст­ве ма­те­ри­а­лов за­кла­доч­ных сме­сей для за­пол­не­ния под­зем­ных ка­мер от­ра­бо­тан­ных уча­ст­ков ме­с­то­рож­де­ний по­лез­ных ис­ко­па­е­мых. Для Под­мо­с­ков­но­го бу­ро­уголь­но­го бас­сей­на пред­став­ля­ет ин­те­рес ис­поль­зо­ва­ние для этих це­лей от­хо­дов фо­с­фо­гип­са Вос­кре­сен­ско­го хим­ком­би­на­та (в ка­че­ст­ве вя­жу­ще­го) и зо­ло­от­ва­лов, на­коп­лен­ных теп­ло­вы­ми эле­к­т­ро­стан­ци­я­ми, ра­бо­та­ю­щи­ми на бу­рых уг­лях Под­мо­с­ков­но­го бас­сей­на.
Та­ким об­ра­зом, в ХХI ве­ке на­и­боль­шие пер­спек­ти­вы име­ют энер­го­тех­но­ло­ги­че­с­кие ком­би­на­ты по ком­плекс­но­му ис­поль­зо­ва­нию уг­лей, ко­то­рые на­ря­ду с про­из­вод­ст­вом эле­к­т­ри­че­с­кой и теп­ло­вой энер­ги­и бу­дут про­из­во­дить до­пол­ни­тель­но строй­ма­те­ри­а­лы, гли­но­зём, це­мент и др. ви­ды гор­но­хи­ми­че­с­кой про­дук­ции. Та­кие ком­би­на­ты зна­чи­тель­но сни­зят ущерб, на­но­си­мый при­ро­де, как за счёт умень­ше­ния вред­ных вы­бро­сов, так и за счёт со­кра­ще­ния объ­ё­мов до­бы­чи гор­но­хи­ми­че­с­ко­го сы­рья.