Transcript Шляхи покращання екологічних показників роботи енергетики

Винники, жовтень 2012 р.
ІV міжнародна науково-практична конференція
„Екологічні аспекти роботи енергетики України.
Шляхи зменшення негативного впливу на навколишнє
середовище”
Шляхи покращання екологічних
показників роботи енергетики
України. Оновлена енергетична
стратегія України
І. Вольчин
Інститут вугільних енерготехнологій
НАН України, Київ
[email protected]
1
Виробіток електроенергії в Україні,
Структура та обсяги виробництва електроенергії по ОЕС України
за 2010, 2011 рр., млн. кВт•г
Виробіток (млн.кВт*г): Всього:
за джерелами генерації
8 039,8
10 307,0
90 061,0
87 721,0
196 137,3*
4,1%
5,3%
45,9%
44,7%
2011 р. план
АЕС
ТЕС та ТЕЦ
193 899,5*
187 899,3*
8 094,7
10 773,0
4,2%
5,6%
7 811,8
12 952,5
4,2%
6,9%
84 775,2
43,7%
77 977,3
41,5%
90 247,7
46,5%
89 151,4
2011 р. факт
ГЕС та ГАЕС
47,4%
2010 р. факт
Блок-станції і комунальні ТЕЦ
2
Структура паливного балансу
ТЕС ГК України
Паливо
2010
2011
Вугілля
32.2 млн. т
(95.4 %)
35.8 млн. т
(97.7 %)
Природний газ
800 млн. м3
(4.3%)
491 млн. м3
(2.1 %)
Мазут
50.3 тис. т
(0.3 %)
39.0 тис. т
(0.2 %)
Запаси вугілля в Україні
44 млрд. т (категорії А+B)
117 млрд. т (категориї А+B+C)
3
Валові викиди ТЕС ГК України (тис. т)
Забруднююча
речовина
2010
2011
Ліміт України за
Мультипротоколом,
тыс. тонн (2010)
SO2
990
1113
1457
NOx
148
162
1222
Тверді частинки
270
162
CO
9.8
11.4
CO2
61.52 млн. т 67.04 млн. т
4
Основні нормативні документи, спрямовані
на зниження викидів забруднюючих
речовин від великих котлів




Угода про енергетичне співтовариство (підключення до
європейської електромережі ENTSO-E); до 31.12.2017 рівень викидів
ТЕС має відповідати вимогам Директиви 2001/80/EC. З 01.02.11
Україна стала членом Європейського енергетичного співтовариства
Протокол про важкі метали 1997 р. і Протокол про боротьбу з
підкисленням, евтрофікацією та приземним озоном 1999 р. до
Конвенцїї ООН про транскордонне перенесення забруднення на
великі відстані 1979 р.
Наказ Мінприроди від 22.10.2008 № 541 «Про затвердження
технологічних нормативів допустимих викидів забруднюючих
речовин із теплосилових установок, номінальна теплова потужність
яких більше 50 МВт».
Податковий кодекс України.
Гранична концентрація пилу для
вугільних котлів (на 6 % O2 в СДГ)
Нормативний
документ
Котли
Наказ Мінприроди
від 27.06.2006 № 309
Наказ Мінприроди
від 22.10.2008 № 541
Концентрація,
мг/м3
50
Нові
30
Модернізовані
50
Існуючі, ЕСФ (ОС < 12 м)
1000
Існуючі, ЕСФ (ОС > 12 м)
400
Існуючі, ЕСФ Курах. ТЕС
1000
Існуючі, мокрі скрубери Вентурі
1300
З 01.01.2016 гранична концентрація твердих частинок для існуючих котлів
становитиме 50 мг/м3.
6
Гранична концентрація SO2 для
вугільних котлів (на 6 % O2 в СДГ)
Нормативний
документ
Котли
Наказ Мінприроди
від 27.06.2006 № 309
Концентрація,
мг/м3
500
Нові
Наказ Минприроды
від 22.10.2008 № 541
7
Модернізовані (> 500 МВт)
Модернізовані (100-500 МВт)
200 (95 % і 300)
400 (94 %)
2000-400
Існуючі, АШ
3400
Існуючі, П
4500
Існуючі, Г, Д, Б
5100
Існуючі, ЦКШ
400
З 01.01.2018 існуючі котли повинні виконувати вимоги для модернізованих.
7
Гранична концентрація NOx для
вугільних котлів (на 6 % O2 в СДГ)
Нормативний
документ
Котли
Наказ Мінприроди
від 27.06.2006 № 309
Наказ Мінприроди
от 22.10.2008 № 541
Концентрація,
мг/м3
500
Нові
Модернізовані (> 500 МВт)
Модернізовані (100-500 МВт)
200
500 / 200
600 (1300) / 200
Існуючі, вугілля – А, П
1300
Існуючі, вугілля, котел 2650 т/ч
1800
Існуючі, котел 950 т/ч
1300
Циклонна топка
2000
Існуючі, інші
700
З 01.01.2018 існуючі котли повинні виконувати вимоги для модернізованих.
8
Прогноз виробітку електроенергії
Стаття балансу
Всього
2010
(факт)
Прогноз
2015
188,0 215,0
2020
2025
2030
236,0
259,0 282,0
126,0 133,0
1.1 Виробництво на АЕС
89,0
96,0
116,0
1.2 Виробництво на ГЕС
12,0
12,0
13,0
14,0
14,0
1,0
68,0
3,0
82,0
7,0
75,0
7,0
83,0
7,0
92,0
0,0
2,0
2,0
2,0
2,0
18,0
19,0
20,0
21,0
21,0
0,0
1,0
4,0
7,0
13,0
1.3 Виробництво на ГАЕС
1.4 Виробництво на ТЕС – вугілля
1.5 Виробництво на ТЕС – газ
1.6 Виробництво на ТЕЦ і блок-станції
1.7 Виробництво ВДЕ
Баланс встановлених потужностей
ГВт
66
6
5
ТЕЦ та
блок-станції
ГАЕС
49
6
ГЕС
6
4
ТЕС-газ
4
4
ТЕС-вугілля
20
20
19
14
6
2010
2030
АЕС
НПДЕ
Модернізація потужностей
теплових електростанцій
ГВт
5,9
6,3
1,2
0,3
2011-15
2016-20
2021-25
2026-30
Введення нових потужностей
пиловугільних ТЕС по роках
ГВт
5,3
3,8
2011-15
2016-20
2021-25
2026-30
Питомі витрати умовного палива на
відпуск електроенергії вугільних ТЕС
Г у.п./кВтг
396
395
389
366
347
2009
2015
2020
2025
2030
Викиди шкідливих речовин великих
теплових електростанцій
(ЄС – 2006 р., Україна – 2009 р.)
Г/кВтгод
SO2
Німеччина
0,2 Норми ЕС
Фінляндія
0,4
Великобританія
0,7
Польща
0,01
0,7
2,8
Болгарія
0,02
0,8
0,9
-36%
11,0
1,2
0,03
0,9
5,1
0,1
0,2
-60%
0,9
-93%
0,5
17,3
Норми ЕС
0,03
2,0
Румунія
Україна
0,3 Норми ЕС
0,5
Іспанія
ЄС (середне)
Зола
NOx
0,3
-77%
0,1
2,3
-93%
-99%
4,4
Шляхи зменшення негативного впливу
вугільної теплоенергетики на довкілля




Підвищення ефективності використання твердого палива шляхом
будівництва нових енергоблоків з ККД вище 42 % чи реконструкції
існуючих з підвищенням ККД до 37-40 %. На сьогодні енергоблоки
300 МВт мають ККД нижче 35 %, а блоки 200 МВт – нижче 32 %.
Корінне зниження викидів забруднюючих речовин (діоксиду сірки,
оксидів азоту, твердих частинок) шляхом впровадження нових
технологій газоочищення.
Підвищення ступеня утилізація відходів виробництва електроенергії,
переведення відходів у продукти спалювання з їх подальшим
використанням.
Впровадження очищення стічных вод в системах мокрої
десульфуризації димових газів.
15
Пиловугільне спалювання







Ультра-надкритичні параметри гострої пари
(тиск близько 300 бар, температура вище 600 °С)
Застосування 2 промперегрівів
ККД нетто – вище 42 %
Викиди твердих частинок нижче 10 мг/м3
Викиди діоксиду сірки нижче 200 мг/м3
Викиди оксидів азоту нижче 150 мг/м3
Приклад: ТЕС Niederaussem (Німеччина), Nordiylland,
Avedoer (Данія), Isogo (Японія), Wang-gu (Китай) …
16
Підвищення параметрів пари для
пиловугільних енергоблоків
17
Енергоблок Walsum 10 (Дуйсбург, Німеччина)
• Електрична потужність – 750 МВт
• Паливо – камяне вугілля
• Електричний ККД – більше 45 %
• Сіркоочистка – мокра вапнякова
• Азотоочистка – СКВ
• Градирня – 181 м
• Кап. затраты – 820 М€
• Компания-владелец – STEAG
• Компания-поставщик - Hitachi
Power Europe GmbH
18
Спалювання в циркулюючому
киплячому шарі





Низькотемпературне спалювання
(830-900 °С)
Використання вугілля широкого
діапазону якості, включаючи
відходи вуглезбагачення
Низькі викиди забруднюючих
речовин
Робота при докритичих та
надкритичних параметрах
гострої пари
Приклад: ТЕС Lagisza (Польща),
460 МВт, прямоточний котел з
тиском гострої пари 220 бар і
температурою 600 °С и с
промперегревом 620 °С,
сжигание углей при температурі
в паливній камері близько 850 °С
19
Технологічні заходи з пилоочищення

Сухе електростатичне осадження.
Ефективність більше 99.5 %. Низький гідравлічний опір.
Суха зола. Низькі експлуатаційні затрати. Високі капітальні
затрати



Мокре електростатичне осадження. Ефективність
більше 99.9 %. Низький гідравлічний опір. Відсутність
вторинного виносу. Низькі експлуатаційні затрати. Високі
капітальні затрати. Мокра зола. Витрата води на зрошення.
Тканинні фільтри. Ефективність більше 99.9 %. Низькі
капітальні затрати. Високий гідравлічний опір. Високі
експлуатаційні затрати.
Мокрі золовловлювачі. Ефективність більше 99.9 %.
Низькі капітальні затрати. Високий гідравлічний опір. Високі
експлуатаційні затрати. Велика витрата води на зрошення.
Необхідність нагріву відхідних газів.
Електростатичне осадження
Ефективність осадження
 w S 
 w S 
  1  exp 

1

exp



G
u

F




y
Швидкість дрейфу
w
4  0  E0  E  d ч
~ 0.1...1.0 м/с
2
г
108  e  E
w
~ 0.01м/с
3   г
y
Переваги мокрого способу
електростатичного осадження
• Робота в умовах 100 % вологості
димових газів з наявністю в них крапель;
• Незалежність від електричних та хімічних
властивостей твердих частинок;
• Незалежність від вхідної температури
димових газів
• Зменшення швидкості димових газів
• Підвищення вмісту водяної пари у
димових газах як електронегативного газу;
• Усунення вторинного виносу пилу з
електродів;
• Робота без системи струшування і
рухомих частин.
Фільтрація димових газів
Висока ефективність пилоочищення
(вихідна концентрація менше 25 мг/м3)
Високий гідравлічний опір
(1000-1800 Па)
Низькі капітальні затрати
Високі експлуатаційні затрати
Загальний вигляд мокрого скрубера
Вентурі з мокрим ЕСФ
Реконструкція в межах
існуючої комірки
Зберігається труба Вентурі та
нижня частина
краплевловлювача
Споруджується мокрий
електрофільтр.
Зростає до 0,24 л/м3 витрата
зрошувальної води
Швидкість димових газів у
мокрому ЕСФ – близько 1,5 м/с
Висота електродів – 8-10 м
Час перебування – 6 с
ККД пилоочистки – 99.8 %
ККД сіркоочистки – до 92-94 %
Вихідна температура – 63-70 °C
Світовий досвід впровадження
десульфуризації димових газів на ТЕС









85 % – мокрі скрубери, з них
72 % з використанням вапняку ;
16 % з використанням вапна;
12 % з використанням інших сорбентів;
15 % – сухі і напівсухі методи, з них
з використанням абсорбційних реакторів
введення сорбенту в топку чи економайзер
введення сорбенту в газохід (реактор) перед фільтром
гібридні методи
25
Мокра десульфуризація димових газів з
примусовим окисленням
•
•
•
•
Сорбент – водная суспензія вапняку чи вапна
Місце подачи – скрубер, розміщений після
золовловлювача
Реакції проходять у рідині при температурі нижче
точки роси в зоні pH 5.0-5.6
Основні реакції зв’язування
SO2 + H2O = H2SO3 = H+ + HSO3–
CaCO3 + 2H+ = Ca2+ + H2O + CO2
Ca2+ + 2HSO3– = Ca(HSO3 )2
Ca(HSO3)2 + ½ O2 + 2 H2O =
= CaSO4×2H2O + H2SO3
•
Мольне відношення Ca/S – 1,02-1,10.
•
Час перебування в cкрубері – близько 10 сек.
•
Кінцевий продукт – гіпс (чистота 95%)
•
Ефективність – від 92 до 98 %
•
Капітальні витрати – від 150 до 250 US$/кВт
26
Мокра десульфуризація димових газів з
примусовим окисленням
27
Схема процесу MHI DCFS
(Double Contact Flows Scrubber)
28
Напівсуха вапняна десульфуризація
димових газів
•
Сорбент – гашене вапно Ca(OH)2 .
•
Подача сорбенту – у вигляді суспензії (краплі) та зволоженого пилу.
•
Сухий субпродукт та наявність фінального пиловловлювача
•
•
•


Місце подачі – реактор, розміщений або після штатного
золовловлювача, або після повітропідігрівника. В реакторі
відбувається повне випарювання вологи крапель суспензії за рахунок
в тепла димових газів зі зниженням їх температури до 65-80 oC та
зростанням відносної вологості димових газів до 50 %
Двох-стадійність проходження реакцій – в краплі , поки вона не
висохла, та на частинках сорбенту. Реакції проходять як у реакторі,
так і в фінальному пиловловлювачі на частинках сорбенту.
Основні реакції:
SO2 + H2O = H2SO3
Ca(OH)2 = Ca2+ + 2 OH–
H2SO3 = HSO3– + Н+
НSO3– = SO32– + H+
Са+2 + SO3–2 + ½ H2O = CaSO3·½Н2О
29
Переваги та недоліки напівсухої
десульфуризації












Переваги напівсухих методів:
високий ступінь сіркоочищення димових газів ( до 95 %);
отримання субпродукту в сухому вигляді і відсутність стічних вод;
відсутність необхідності в підігріві вихідних газів (вище точки роси);
висока надійність і простота обслуговування;
простота апаратурного оформлення;
менші ніж при мокрому способі капітальні і експлуатаційні витрати.
Недоліки методів:
застосування в якості сорбенту дорогого високоякісного вапна або
іншого лужного сорбенту;
неповне використання сорбенту (Ca/S >1.5);
підвищення, в деяких випадках, габаритів реактора – абсорбера;
обмежені можливості використання кінцевого продукту.
30
Схема циркулюючого сухого скрубера Lurgi
31
Установка ЦКШ ДДГ, ТЕС Yushe, Китай
300 МВт (2004)
32
33
Установка напівсухої сіркоочистки RAFAKO
PS Skawina (Poland)










Потужність блоків: 4×165 та 2×172 МВт
Кількість абсорберів: 2
Потік димових газів: 2×615000 нм3/год
Вміст сірки у вугіллі: 1.2%
Вхідна концентрація SO2: 3600 мг/нм3
Ефективність сіркоочищення: > 92 %
Витрата сорбенту (вапно): 2×3.8 т/год
Витрата води: 2×14.2 т/год
Вихід продукту: 2×6 т/год
Коефіцієнт надійності: > 96 %
34
Технологія Нової інтегрованої
десульфуризації (НІД) – Alstom Power
TC
Электрофильтр или рукавный
фильтр



Рециркуляция

Вода

Увлажнитель
CaO


Ефективність – 80-95%
Сорбент – вапно
Сухий субпродукт – суміш
гемігидрату сульфиту і сульфату
кальцію і леткої золи
Вміст вологи в сорбенті – 5 %
(гумідіфикатор)
Висока запиленість димових газів
перед фільтром (до 200 г/м3)
Малі просторові вимоги
На виході золовловлювача вміст
твердих частинок не перевищує
30 мг/нм3
Конечный продукт
35
Порівняння SDA і NID – вміст води
% H2O
70
60
Жидкая
суспензия
50
40
Густая
суспензия
30
20
Паста
10
NID
5
Сухая свободно
текущая пыль
Традиционный
полсухой процесс
Процесс NID
Абсорбированное
эквивалентное
количество воды
36
Аміачна напівсуха десульфуризація
SO2 + H2O = H2SO3
2 NH4OH + H2SO3 + ½ O2 = (NH4)2SO4 + 2 H2O
Подача в вигляді крапель розчину аміачної води або карбаміду;
Необхідність повного випаровування крапель в реакторі перед
пиловловлювачем і досягненням вихідної температури очищених
димових газів близько 65-70 °С;
стехіометричне відношення амоніак/сірка – нижче двох;
Утворення сухого корисного субпродукту – сульфату амонію
(мінерального добрива);
Зв'язування діоксиду сірки амоніаком в умовах підвищеної
вологості в електрофільтрі або рукавному фільтрі;
уловлення аерозолів сульфату амонію в електрофільтрі або
рукавному фільтрі;
відсутність стічних вод.
Ефективність застосування режимнотехнологічних методів зменшення NOx
Метод
Зниження
NOx,%
Примітки
Зниження загального
надлишку повітря
10-15
Обмежується зростанням втрат
тепла з механічним (q4) та хімічним
(q3) недопалом
Відключення частини
пальників
15-20
Обмежується потрібним
навантаженням
Двохступінчасте
спалювання
30-40
Крім котлів на антрацитовому штибі
Малотоксичні
пальники
30-50
Не перевірено на антрацитовому
штибі (АШ) і пісному (Т) вугіллі
Рециркуляція димових
газів
15-20
Не застосовується для малореакційного вугілля АШ і Т
Трьохступінчасте
спалювання з
відновленням NOx
40-60
Висока вартість для методу з
використанням в якості відновника
природного газу
Малотоксичні пальники (LNB)
Питома вартість впровадження малотоксичних пальників на існуючих
котлах становить від 5 до 50 $/кВт
Вплив параметрів паливного процесу на
ефективність спалювання вугілля та
зниження викиду NOx
Параметр процесу
Викид
NOx
Втрати з
недопалом
Зниження надлишку повітря
падає
ростуть
Збільшення температури повітря
росте
падають
Зменшення навантаження топки
падає
ростуть
Спільне спалювання вугілля з газом чи мазутом
падає
ростуть
Зменшення стехіометрії у первинній зоні горіння
падає
ростуть
Ступінчаста подача повітря
падає
ростуть
Зменшення теплосприйняття топкових екранів
росте
Падають
Рециркуляція димових газів
падає
ростуть
Покращання сумішоутворення палива та повітря
росте
падають
Вприск пари у зону горіння
падає
ростуть
Ступінчаста подача палива
падає
ростуть
Азотоочистка димових газів
Технологія
Селективне
некаталітичне
відновлення (СНКВ)
Селективне
каталітичне
відновлення (СКВ)
Робочі
температури
850-1100 °С
(верх паливної камери)
350-450 °С
Ефективність
до 50 %
90 %
Аміак, карбамід
Аміак
25 $/кВт
80 $/кВт
Сорбент
Капітальні
затрати
СКВ
Зона температур: 170-510 °С
Основні реакції:
4 NO + 4 NH3 + O2 = 4 N2 + 6 H2O
6 NO2 + 8 NH3 = 7 N2 + 12 H2O
СНКВ
Зона температур: 850-1000 ° C
Основна реакція:
4 NO + 4 NH3 + O2 = 4 N2 + 6 H2O
(зменшення)
Небажана реакція:
4 NH3 + 5 O2 = 4 NO + 6 H2O
(окислення)