НОСОВСЬКА О.О., ст. гр. ЕНМ-08м

Науч. керівник: Гридін, доц.

Донецький національний технічний університет,

м. Донецьк.

ВИКОРИСТАННЯ СОЛОМИ НА ВУГІЛЬНИХ ТЕС І ЗМЕНЬШЕННЯ ВИКИДІВ ПАРНИКОВИХ ГАЗІВ

Рассмотрены способы использования биомассы как альтернативного источ-ника топлива для работы энергоблоков с целью получения энергии и уменьшения выбрасов парникових газов в окружающую среду. Проанализированы условия их внедрения на ТЕС в Украине.

1. Актуальність. Ратифікація більш ніж 190 країнами світу Рамкової конвекції ООН про зміну клімата (РКЗК ООН) засвідчила стурбованість світової спільноти щодо антропогенного впливу на клімат та її зацікавленість у позитивному рішенні проблеми глобальної зміни клімату. Кіотський протокол до РКЗК ООН, підписаний у 1997р., встановив зобов’язання розвинутих країн і країн з перехідною економікою щодо кіль-кісного скорочення викидів парникових газів (вуглекислого газу СО₂, закису азоту N₂O, гідрофторвуглеців HFC’s, перфторвуглеців PFC’s, гексафториду сірки SF₆) у період 2008-2012 рр. Україна зобов’язалась в цей період не перевищувати рівень викидів парникових газів. Реальними шляхами зменшення викиду вуглекислого газу як основ-ного парникового газу при виробітку електричної та теплової енергії є зростання ефек-тивності використання палива або перехід на спалювання палива з меншим вмістом вуглецю.

2. Мета дослідження. Вивчення та обгрунтування можливості використання біомаси як відновлюваного джерела енергії для виробітку електричної та теплової енергії в Україні.

3. Основна частина. Зростання частки біопалива в паливно-енергетичному балансі країни позитивно впливає на зменшення викиду вуглекислого газу. Згідно з матеріалами РКЗК ООН, Кіотського протоколу та Конференцій Сторін прийнято, що спалювання палива біологічного походження не призводить до викиду СО₂, оскільки під час утворення біомаси відбувається процес поглинання двоокису вуглецю. Крім того, спалювання біомаси зменшує викиди метану,який утворюється при її розкладенні та гноїнні в звалищах.

Таким чином, у разі використання біомаси для отримання електричної та тепло-вої енергії не тільки економиться викопне паливо, але й створюється “економія” вики-дів парникових газів, які могли б утворитися під час його спалювання. Цей запас країна може використати або для виконання своїх зобов’язань, або передати чи продати іншій країні в рамках дії гнучких механізмів Кіотського протоколу.

Розвинуті країни світу вже тривалий час займаються активно питанням викори-стання біомаси як відновлювального джерела енергії для виробітку електричної та теплової енергії. У документах ЄС поставлено мету – отримати до 2010 р. від віднов-лювальних джерел 20,4 % загального виробітку електричної енергії, при чому на гідроенергетику припадає 41%, на вітроенергетику – 15, а на біомасу – 31 %.

Одним з варіантів споживання біомаси для виробітку енергії є її використання на існуючих вугільних котлоагрегатах. Так, у Бельгії на ТЕС «Ruinen» компанії «Electra-bel» з січня 2003р. введено в дію реконструйований вугільний енергоблок з газифіка-тором циркулюючого киплячого шару, який працює на біомасі (в основному на відхо-дах деревини). Джерелом енергії для отримання горючого газу є тверді коксозольні залишки біомаси. Низкокалорійний газ із газифікатора ЦКШ надходить у нижній ярус модифікованих пальників котла. Планується ,що газифікатор ЦКШ споживатиме щорічно 100тис. т біомаси, а вугільний котел – 500 тис т вугілля. Така схема дасть змогу не тільки економити близько 10 % вугілля, але і зменшувати щорічно на 120 тис. т викиди вуглекислого газу.

У Данії з початку 2002 р. реалізовано проект промислового спільного спалювання соломи та вугілля на існуючому енергоблоці № 4 електричної потужності 350 МВт електростанції «Studstrup» компанії «Elsam». Цьому передував демонстраційний проект спільного спалювання вугілля і соломи на енергоблоці № 1 тої ж ТЕС у період з 1995 по 1998р.

Пиловугільний енергоблок № 4 було введено в дію в 1985 р. він працює на вугіл-лі, яке надходить в основному з Колумбії. Котел з одним проміжним перегрівачем пари оснащено 24 пальниками з низьким виходом NO_xна двох ярусах, що розміщені на протилежних стінках топки. Температура гострої пари становить 540 ⁰С при тиску 250 бар. Для розмелу вугілля використовуються чотири млини МРS компанії « Deutsche Babcock». Енергоблок № 4 обладнано установкою напівсухої десульфуризації.

Для забезпечення спільного спалювання соломи з вугіллям було частково рекон-струйовано обладнання котла . По – перше, було модернізовано пальники верхнього ярусу задньої стінки котла для комбінованої подачі соломи через центр пальника було зміщено мазутну форсунку та сканер полум’я. По – друге , було встановлено систему приймання тюків соломи, їх зберігання, розпакування, транспортування до млинів, розмелювання та транспортування в топку підрубленої соломи.

Солома відноситься до низкокалорійного виду палива з високим вмістом летких. У табл. 1 наведено порівняльні характеристики колумбійського вугілля та соломи. Для отримання однієї і тієї ж кількості тепла треба витратити соломи в 1,5 раза більше, ніж вугілля.

Таблиця 1. Порівняльний аналіз колумбійського вугілля та соломи

Показник	Колумбійське вугілля	Солома
Показник	Колумбійське вугілля	Типове значення	Діапозон
Волога, %	10,8	14,0	8 - 23
Зола, %, суха маса	13,7	4,5	2 - 8
С, %, суха маса	67,9	47,5	45 -49
Н, %, суха маса	4,1	5,9	5,4- 6,4
S, %, суха маса	0,9	0,15	0,1 - 0,2
N, %, суха маса	1,41	0,7	0,3 – 1,5
Cl, %, суха маса	0,023	0,4	0,1 – 1,1
K, %, суха маса	0,06	1,0	0,2 – 2,6
Na, %, суха маса	0,018	0,05	менше 0,3
Q_н^р, МДж/кг	23,9	14,9	12,2 – 16,7

Солома має низький вміст золи і сірки та відносно великий вміст хлору і калію. Широкий діапазон зміни вмісту калію та хлору в соломі пов’язаний з процесом вимивання лужних солей під час жнив залежно від погодних умов. А їх високий вміст може викликати певні труднощі, пов’язані з корозією та властивостями леткої золи. Оптимальна частка соломи з датського досвіду в паливному балансі котла становить 10 %. При такій частці практично не змінюється корозійно-стійкі властивості металу котла. Спалювання соломи не зумовлює погіршення екологічних показників роботи енергоблока (табл. 2)

Таблиця 2. Порівняльний аналіз складу золи вугілля та соломи, %

Речовина	Колумбійське вугілля	Солома
SiO₂	59,70	34,00
Al₂O₃	19,20	0,94
TiO₂	0,75	0,06
P₂O₅	0,18	2,83
SO₃	1,98	4,74
FeO₃	8,10	0,65
CaO	2,05	7,30
MgO	1,76	2,00
Na₂O	0,63	0,85
K₂O	2,15	29,80

Україна має досить велику кількість вугільних енергоблоків електричної потуж-ністю від 150 до 800МВТ, які знаходяться на ТЕС, та менш потужні вугільні енерго-блоки на ТЕЦ. Але не кожен із вугільних котлів може бути реконструйовано під часткове використання біомаси, бо розташування вугільних ТЕС не зовсім співпадає з картою розміщення надлишків відходів сільськогосподарської, лісової та деревообробної промисловості.

До того ж , беручи до уваги якісний склад соломи, її як паливо можна віднести до твердого палива з високим виходом летких (табл. 1). Тому використання її в котлах, які працюють на антрацитах, недоцільне, оскільки може призвести до зниження ступеня вигорання вугілля. Виходячи з цього для аналізу можливого споживання соломи обмежимось ТЕС, які спалюють газове та довгополумневе вугілля.

Оптимальною часткою соломи в паливному балансі вугільного котла є 10 %. Оці-нення максимальної кількості можливого споживання великими ТЕС України проведе-мо за припущення, що кожен енергоблок працює щорічно 5 тис. год, а електричні ККД блоків 150 і 200 МВт є на рівні 33 %, а для блоків 300 МВт – 35 % (табл.. 3)

Таблиця 3. Оцінення максимального споживання вугілля і соломи ТЕС України, тис. т умовного палива

ТЕС	Кількість вугільних блоків	Область	Вугілля	Солома
Бурштинська	12 × 200 МВТ	Івано-Франківська	4021,10	446,79
Добротвірська	2 × 150 МВт	Львівська	502,64	55,85
Ладижинська	6 × 300 МВт	Вінницька	2843,49	315,94
Вуглегірська	4 × 300 МВТ	Донецька	1895,66	210,63
Курахівська	7 × 200 МВт	Донецька	2345,64	260,63
Зуївська	4 × 300 МВТ	Донецька	1895,66	210,63
Запорізька	4 × 300 МВт	Запорізька	1895,66	210,63
РАЗОМ			15399,85	1711,1

Максимальна кількість соломи для спільного спалювання з вугіллям становить 1,711 млн т умовного палива або 29,7 % загальної маси соломи злаків, яку можна використати для енергетичних потреб. На перший погляд, у теплоенергетиці України відкриваються широкі перспективи щодо впровадження спільного спалювання вугілля та соломи, бо це дасть змогу не тільки зекономити викопне паливо, зменшити викид вуглекислого газу на 10 %, але й скоротити викиди сірчистого ангідриду і пилу, оскіль-ки сірки в соломі майже немає, а вміст золи в соломі порівняно з вугіллям низький. Крім того, слід враховувати можливість використання соломи (як паливо з високим виходом летких) у зоні відновлення при трьох стадійному спалюванні (Reburning) з метою зменшення викиду оксидів азоту.

Для спільного спалювання вугілля і соломи оптимальними є Ладижинська та Запорізька ТЕС, які обладнані вугільними енергоблоками енергетичною потужністю 300 МВт, розміщенні серед зернових регіонів і можуть цілорічно бути забезпечені соломою. Демонстраційний проект спільного спалювання вугілля і соломи на одному з енергоблоків ТЕС України, подібний до реалізації використання соломи на блоці № 4 ТЕС «Studstrup», може бути реалізований як пілотний проект спільного впровадження в рамках реалізації гнучких механізмів Кіотського протоколу, наприклад, між Украї-ною та Данією, яка має в цьому чималий досвід.

При забезпеченні погодинного спалювання соломи в котлі енергоблока 300 МВт у кількості 15 – 20 т (або 7 – 10 т умовного палива) та 5 тис. год за рік можна зменшити витрати на транспортування на ТЕС 60 – 80 тис. т вугілля та знизити щорічний викид вуглекислого газу на 120 – 150 тис т. Протягом п’яти залікових років Кіотського прото-колу (2008 – 2012 рр.) така «економія» двооксиду вуглецю становитиме 600 – 750 тис. т. Цієї кількості СО₂ має вистачити для забезпечення фінансування робіт щодо створен-ня систем обробки соломи та реконструкції енергоблока. Додатковим стимулом в умо-вах України може стати нижча порівняно з вугіллям ціна 1т умовного палива соломи.

Наступним кроком використання біомаси на вугільних котлах діючих ТЕС може бути спорудження газогенераторів, що споживають біомасу, з подальшим спалюванням утвореного горючого газу в діючих котлах.

Джерелом фінансування реконструкції обладнання ТЕС з метою використання на них біомаси мають стати подальші проекти спільного впровадження.

4. Висновки. З вище сказаного зрозуміло, що для реалізації спільного спалюван-ня соломи і вугілля потрібно виконати такі вимоги:

· наявність існуючої вугільної теплової електростанції;

· наявність необхідної кількості біомаси в безпосередній близькості від ТЕС;

· наявність засобів пакування соломи на полях і місць її цілорічного зберігання перед доставкою на електростанцію;

· наявність установок десульфуризації для зв’язування сірки та хлору;

· сприяння влади спільному спалюванню вугілля та біомаси шляхом встановлення пільгових тарифів і податків.

Для отримання конкретних даних про економічні та екологічні зиски спільного спалювання вугілля та соломи на конкретному енергоблоці треба провести відповідне техніко-економічне оцінення.

Бібліографічний список

1. Збірник міжнародно-правових актів у сфері охорони довкілля. – Львів: Норма, 2002.- С. 240

2. The Europen renewable energy study. Prospects for renewable energy in the European Community and Eastern Europe up to 2010. Main report. Luxembourg: Office for Official Publication of the Europen Communities. – 1994. – P.119

3. Жовмір М.М, Нєдовєсов В.І.,Смірнов О.П. Ресурси біомаси для енергетичного використання в Україні // Єнергетика и єлектрификація. – 2002. - № 6. – С. 38 – 45