Концепция формирования проектов «Экологически чистая тепловая электростанция»

ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

А.  Д. ГЕЛЬМАН, доцент ВИПКэнерго, г. Новосибирск
Концепция формирования проектов «Экологически чистая тепловая электростанция»
ДОБРОХОТОВ В. И., доктор техн. наук. Государственный комитет СССР по науке и технике

В последние годы резко возросли требования к экологической чистоте объектов топливно-энергетического комплекса, к безопасности атомной энергетики.
Единственным видом топлива, сырьевая база которого в перспективе ближайших десятилетий достаточна для неограниченного роста добычи, является уголь, а значительная часть его месторождений характеризуется относительно низким качеством топлива. В этих условиях широкое вовлечение твердого топлива в энергетический баланс страны будет зависеть от решения проблемы охраны окружающей среды на объектах, работающих на этом топливе.
Одним из основных источников загрязнения воздушного бассейна считаются тепловые электростанции, работающие на низкосортных твердых топливных, а также предприятия по их переработке в высококачественные бытовые виды топлива. Единственным экономически и экологически оправданным методом использования тонких угольных пластов, которые широко залегают в европейской части СССР, где ощущается дефицит собственных энергоресурсов, в настоящее, время является подземная газификация угля.
Возможности дальнейшего развития ядерной энергетики во многом будут определяться успехами в деле повышения безопасности атомных электростанций.
Таблица 1

Указанные обстоятельства явились главным обоснованием целесообразности разработки и реализации государственной научно-технической программы (ГНТП) «Экологически чистая энергетика», цели которой, наряду с обеспечением растущих потребностей народного хозяйства в энергии, разработать и создать в кратчайшие сроки технические решения, значительно улучшающие экологическую обстановку при строительстве тепловых электростанций и угольных разрезов, повысить безопасность работы атомных электростанций, вовлечь в производство электроэнергии и тепла нетрадиционные возобновляемые источники энергии, создать необходимую производственную базу для получения экологически чистого топлива из природного газа и твердого топлива.
В отличие от предыдущих научно- технических программ, формировавшихся с участием Государственного комитета СССР по науке и технике, когда в программу входили как отдельные научно-исследовательские работы, так и создание образцов новой техники, ГНТП должны состоять из конкретных проектов, включающих основные этапы работы, начиная с научно-исследовательских и проектных разработок до создания образцов оборудования и серийного производства. По каждой ГНТП создается научный совет, на который возлагаются задачи по организации работ, связанных с проведением конкурсов, с формированием проектов, рассмотрением результатов выполнения отдельных этапов, выдачей рекомендаций по распределению госбюджетного финансирования между отдельными направлениями и т. д.
Одним из четырех основных направлений ГНТП «Экологически чистая энергетика» является формирование проектов по созданию «Экологически чистая тепловая электростанция». При разработке концепции этого направления исходили из следующих основных положений.
В течение ближайших 20 лет установленную мощность тепловых электростанций (ТЭС) для обеспечения устойчивого электроснабжения народного хозяйства и населения cтраны необходимо увеличить почти на 100 млн. кВт. Около 400 ТЭС, действующих в объединениях Минэнерго СССР, необходимо модернизировать и реконструировать. Значительная часть всей действующей мощности ТЭС работает на твердом топливе. Большая часть намеченного прироста мощности также будет работать на твердом топливе, в том числе на низкосортном, поскольку уже на рубеже XX и XXI веков произойдет вынужденная стабилизация добычи газа, как это уже имеет место с нефтью, и поэтому рассчитывать на дальнейшее наращивание использования экологически чистого газа на ТЭС не приходится.

Работа ТЭС на органическом топливе связана с образованием и выбросом в окружающую среду значительного количества отходов. По расчетам Минэнерго СССР, на каждый 1 кВт установленной мощности ежегодно приходится в среднем в виде отходов 500 кг золошлаков, 75 кг оксидов серы, 10 кг оксидов азота и до 30 ГДж сбросного тепла. К этому следует добавить, что с дымовыми газами при сжигании 1 т условного топлива выбрасывается у угля — свыше 780 кг, мазута — более 520 кг и природного газа — примерно 370 кг углекислого газа.
Показатели, характеризующие образование веществ на ТЭС, загрязняющих атмосферу, при сжигании четырех, наиболее распространенных видов твердого топлива приведены в табл. 1. Умножив эти удельные показатели на сотни миллионов киловатт установленной мощности ТЭС и сотни миллионов используемого на них органического топлива, можно получить картину огромного негативного воздействия тепловых электростанций на окружающую среду. Все это привело к тому, что уже в настоящее время встречаются серьезные затруднения с размещением новых и функционированием действующих ТЭС.
Как следует из опубликованных зарубежных данных, при работе тепловой электростанции на угле мощностью 1           млн. кВт в течение года в окружающую среду выбрасывается 6 млн. т двуокиси углерода (СО2) и 100 тыс. т других токсичных газов (SO2, СО, NOx).
В последние годы все заметнее вредное воздействие на растительность так называемых кислотных дождей. Одним из источников их образования являются выбросы ТЭС в атмосферу, химический состав которых — двуокись серы и оксиды азота.
При разработке концепции «Экологически чистая тепловая электростанция» необходимо было вначале не только оценить состояние дел с выбросами от ТЭС, но и определить, на каких видах топлив целесообразно в первую очередь решать эти проблемы, какова должна быть мощность отдельных агрегатов и электростанций, учесть ряд других факторов.
Таблица 2

На первом этапе формирования проектов был проведен конкурсный отбор концепций по созданию четырех ТЭС, ориентированных на сжигание канско-ачинских, экибастузских, кузнецких и донецких углей. При этом применительно к Канско-Ачинскому и Экибастузскому угольным бассейнам должны были разрабатываться концепции создания топливно-энергетических комплексов, включающих прогрессивные технологии добычи, обогащения, транспорта угля, собственно тепловую электростанцию, использование отходов и рекультивацию земель. 0,05—0,10, оксидов серы 0,2—0,3, азота 0,15—0,20; неочищенные жидкие стоки должны отсутствовать; доля золы и других твердых отходов, пригодных к использованию в народном хозяйстве, не менее 80%.

Итоги проведенного конкурса показали, что имеется много интересных предложений, направленных на повышение экологической эффективности работы тепловых электростанций. Поступило 140 предложений из различных организаций, от авторских коллективов и отдельных специалистов.
Жюри конкурса с привлечением высококвалифицированных экспертов рассмотрело представленные предложения и пришло к выводу, что ни одно из них не отвечает полностью требованиям конкурса. В результате первое место не было присуждено, 12 работ получили поощрительные премии. Среди них концепции создания:
Всесоюзного теплотехнического научно-исследовательского института (ВТИ) им Ф. Э. Дзержинского
ТЭС с парогазовыми установками мощностью 650—700 МВт, газификацией канско-ачинского угля или кузнецкого угля под давлением с котлом-утилизатором и очисткой газов от вредных выбросов при температуре 500 °С;
ТЭС с паротурбинными энергоблоками мощностью 800 МВт при сжигании канско-ачинского угля с подогревом угольной пыли и использовании тканевых фильтров для уменьшения выбросов золы и серы;
ТЭЦ с котлами паропроизводительностью 500—1000 т/ч для сжигания кузнецкого угля в циркулирующем кипящем слое с применением электрофильтров повышенной эффективности и вводом известняка в топочную камеру для подавления оксидов серы;
ТЭС с котлами для сжигания донецкого АШ ухудшенного качества в циркулирующем кипящем слое;
Государственного научно-исследовательского энергетического института (ЭНИН) им. Г. М. Кржижановского
ТЭС с котлом для высокотемпературного сжигания канско-ачинского угля с глубокой очисткой дымовых газов в регенеративных вращающихся фильтрах, с получением и использованием гранулированного шлака;
Среднеазиатского отделения Всесоюзного государственного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института по промышленной энергетике и рациональному использованию в промышленности топлива, электрической и тепловой энергии и вторичных энергоресурсов (ВНИПИэнергопрома)
ТЭЦ с котлами для сжигания кузнецкого угля в циркулирующем кипящем слое, с вводом отработанной в водоподготовительных установках извести в топку котла для уменьшения образования оксидов серы, с применением радиационно-химического подавления оксидов азота и серы;
ВНИПИэнергопрома и Научно-производственного объединения по проектированию и исследованию энергетического оборудования (НПО ЦКТИ)
ТЭЦ с парогазовыми установками мощностью 320, 650 МВт с внутрицикловой газификацией кузнецкого угля и высоконапорными парогенераторами;
авторских коллективов
ТЭС с парогазовыми установками, с частичной газификацией кузнецкого угля пиролизом и применением высокотемпературного подогрева воздуха в кипящем слое;
ТЭС с котлами для сжигания донецкого АШ ухудшенного качества в силикатном расплаве с использованием кислорода.
Обращает на себя внимание, что нет поощрительных премий по концепции создания экологически чистого комплекса по экибастузскому каменному углю.
Итоги конкурса, а также предложения Минэнерго СССР по формированию проектов рассмотрены на секции научного совета «Экологически чистая энергетика» под председательством акад.
В.  Е. Накорянова. Рекомендовано принять к дальнейшему формированию девять альтернативных вариантов (по два — три на каждый проект). Определены головные научно-исследовательские и проектные организации, которым поручено формирование и проработка этих проектов до стадии технико-экономического обоснования (ТЭО) со сроком выполнения первого этапа в 1990 г. Заказчиком этих проектов выступают энергосистемы, где планируется строительство первых энергоблоков.
В 1990 г. ведется работа над следующими проектами.

1. Разработка и создание топливно-энергетического комплекса (ТЭК), состоящего из конденсационной тепловой электростанции (КЭС) мощностью 5—8 млн. кВт на канско-ачинском угле (Березовская ГРЭС-2), угольного разреза мощностью 30 млн. т (Березовский № 2) и производств по использованию отходов добычи и сжигания топлив. При этом создается два альтернативных варианта ТЭС:

с энергоблоком мощностью 800 МВт на базе котельного агрегата с уменьшенными габаритами и ступенчатым сжиганием угля и с применением нетрадиционных технологий очистки дымовых газов;
с энергоблоком, включающим парогазовую установку мощностью 625 МВт с газификацией угля в газификаторах под давлением, с использованием в составе каждой ПГУ двух газовых турбин типа ГТЭ-200-1250, двух котлов-утилизаторов и одной паровой турбины типа К-225-130.

1. Разработка и создание ТЭК, состоящего из КЭС мощностью 5 млн. кВт на экибастузском угле (Экибастузская ГРЭС-3), угольного разреза мощностью 100—105 млн. т в год, обогатительной фабрики мощностью 20 млн. т в год и производств по использованию отходов добычи и сжигания топлива. Разрабатываются два варианта ТЭС:

с энергоблоком мощностью 500 МВт на базе модернизированных котельных агрегатов П-57р, с мокроизвестковой сероочисткой и каталитической азотоочисткой;
с энергоблоком мощностью 500 МВт на базе котла с аэрофонтанными предтопками, с применением озонного метода очистки дымовых газов от оксидов серы и азота.

1. Создание и освоение головного теплофикационного энергоблока мощностью 180 МВт для Петровской ТЭЦ на кузнецком каменном угле. В основу положены два варианта:

котельный агрегат паропроизводительностью 500—670 т/ч с циркулирующим кипящим слоем;
парогазовая установка мощностью 300 МВт с внутрицикловой газификацией угля и высоконапорными парогенераторами производительностью 650 т/ч, а также с газовыми турбинами мощностью до 115 МВт.

1. Создание и освоение головного энергоблока мощностью 300 МВт при сжигании АШ ухудшенного качества. Эта задача решается в трех вариантах, два первых из них для Ростовской ГРЭС:

котел паропроизводительностью 2Х Х500 т/ч с циркулирующим кипящим слоем;
котел 1000 т/ч с модулями высокотемпературных предтопков мощностью 100 МВт;
котел 670—1000 т/ч с топками для сжигания топлива в шлаковом расплаве (для Харьковской ГРЭС-2).
В I квартале 1991 г. должна быть проведена защита разработанных ТЭО с целью отбора для дальнейшей реализации лучших проектных предложений. Признано также целесообразным в рамках указанных целевых проектов предусматривать отработку отдельных технических решений на опытно-промышленных установках, сооружаемых на других (в основном действующих) электростанциях.