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.
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.
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.
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.
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.
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:
- появляется возможность использования углей валовой выемки, что снимает проблему накопления отходов обогащения углей;
- продукты газификации топлива имеют объём в 2–3 раза меньший, чем продукты его полного сгорания, поэтому система их очистки от пыли и соединений серы значительно меньше и проще;
- при газификации топлива сера образует сероводород, переработка которого в элементарную серу более рентабельна, чем диоксида серы;
- системы очистки продуктов газификации от пыли, оксидов серы и азота позволяют довести технико-экономические показатели котла, работающего на угле, до уровня котлов, работающих на природном газе;
- кристаллохимический состав минеральной части угля после газификации достаточно технологичен для дальнейшей переработки;
- газификация угля позволит широко использовать более эффективные паро-газовые циклы производства электроэнергии, что сейчас возможно только при работе на природном газе.
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.
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.