ДВЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИ ВЫБОРЕ КОНЦЕПЦИИ НОВОЙ УГОЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА ПОСТСОВЕТСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Потапов В.Н.
ООО «Вихревые системы», Екатеринбург, Россия
Развитие энергетики на твердых топливах очень актуально, особенно в России. Но на постсоветском пространстве пока нет ясного понимания, какие следует строить тепловые электрические станции (HPP). Концепция HPP зависит от свойств углей, стабильности их качества динамики изменения цены, и экологической политики в условиях рынков электричества и теплоты. Совокупность решения этих задач определит место размещения НРР, мощность генерирующих блоков. Выделим две группы технологических проблемы. Их оптимальное решение радикально изменит концепцию и технологическую схему HPP, ее мощность и место на рынках энергии обоих видов. Отметим особо проблему применения технологий десульфурации (DS) продуктов сгорания, которых пока нет на HPP постсоветских стран. Это ключ к выбору всей концепции HPP и максимизации эффективности использования теплоты сожженного на НРР твердого топлива.

Думаю, что на новых HPP следует внедрять лишь технологии мокро-известняковой сероочистки (условно назовем их WLDS). Лучшие технологии этой группы являются комплексными, и коммерчески наиболее приемлемыми среди всех эффективных систем очистки дымовых газов, особенно от HCl, HF, Hg, Tl, и других опасных веществ. Все эти токсичные компоненты, независимо от их содержания в углях и концентраций в продуктах сгорания, полагаю, в сумме как минимум, в сотни раз токсичнее традиционной суммы выбросов SO₂, NO_x и CO, контроль которых требует современные нормативы России, которые основаны на старых советских подходах в экологическим проблемам. Следует помнить, что выбор технологий WLDS и типа ее реактора при высокой эффективности должны максимально превратить известняк в коммерческий продукт. Это белый двухводный гипс с кристаллами нужных размеров. Наш опыт изучения этих технологий в рамках доступной нам информации почти 15 лет показал, что в лучших коммерческих технологиях удается превратить до 90 % известняка в такой гипс при минимуме перерасход природного известняка (2-5 %). В тех же лучших WLDS можно обеспечить удаление из дымовых газов до 98-99% SO₂ и практически 100% HCl, HF и тяжелых металлов (при эффективном улавливании золы). Что касается Hg или Tl, то правильный выбор технологии обеспечит не менее 40% улавливания в WLDS и этих сверх опасных веществ.

Эти цели можно достигнуть только при выделении в самом реакторе WLDS (или в специальной зоны вне реактора) для раздельного улавливания сорбентом самых опасных веществ. В схеме также должен быть организован отдельный сбор и вывод всех опасных веществ и неизбежной в любых технологиях WLDS выход какой-то части бесполезного продукта – CaSO₃. Поэтому эту часть реактора следует отделить от зоны аэрации «болота». И только после аэрации следует окончательно промывать газы многократной циркуляцией сорбента с полной выработкой ионов кальция, а также получить кристаллы двухводного гипса нужных свойств.

Во-вторых, самые эффективные коммерческие WLDS всегда являются компонентом когенерации теплоты и электричества на НРР с использованием низкопотенциальной теплоты дополнительно охлажденных дымовых газов на ее котлах. Когенерация основана на нагреве части потоков конденсата и питательной воды паровой турбины этой низкопотенциальной теплотой газов. Приемы реализации этих схем известны, и широко используются на немецких НРР. Схемы основаны на глубоком охлаждении части дымовых газов этими и другими потоками воды в дополнительном газоходе, байпасирующем на котле его подогреватель воздуха. В России такие схемы были предложены и даже используют на отдельных НРР в схемах подогрева натурального газа, или иначе, как давно предлагает А.У.Липец из компании, производящей мощные паровые котлы в Подольске. Подобные схемы использования теплоты газов 30-40 лет тому назад также были разработаны Е.В.Волковым при участии автора данного текста в Уральском политехническом институте на кафедре тепловых электрических станций. Далее они усовершенствованы Е.В.Волковым в Уральском Отделении Российской Академии Наук. Позже автором данного текста предложены новые схемы этого назначения для существующих НРР на натуральном газе, Для них показана возможность повысить эффективность использования топлива на 2-4%, при том же снижения выбросов климатообразующего СО₂. Мы также показали возможность использования новых схем для повышения гибкости работы НРР одновременно на два независимых рынка энергии – электричества и теплоты при изменениях погоды и при мелких авариях. Это необходимо для соблюдения утвержденного «на сутки вперед» диспетчерского графика отпуска электроэнергии на рынки России.

Подчеркнем, предложенные схемы утилизации теплоты отходящих газов требуют минимум капиталовложений. Поэтому мы имеем сомнения, что новые НРР в самые ближайшие годы следует переводить с суперкритических давлений пара (SKP) на ультрасуперкритические (USKP) того уровня, который пока достижим при внедрении USKP с учетом потерь при переходе на новые параметры пара. По имеющимся данным, переход НРР на USKP при существующих сегодня технологиях поднимет эффективность сжигания топлива на выработку электроэнергии (без когенерации и с учетом всех потерь) всего на 1 – 1,5%.

Дополнительное повышение эффективности НРР на 0,5–0,8% даст использование башен охлаждения или каминов вместо дымовых труб, не сооружая эти трубы на новых НРР. Это приемлемо для надежной поставки электроэнергии только при очень надежной в эксплуатации очистке дымовых газов от всех SO₂, HCl и HF. Глубокое охлаждение дымовых газов с конденсацией паров воды в ректоре WLDS требует включить теплоту конденсации Н₂О, отнятую от газов в реакторе и перед ним, в тепловую схему НРР, например, для подогрева воздуха перед подогревателями воздуха котла или в климатических системах помещений НРР. Однако без установки WLDS выброс дымовых газов через башни охлаждения или камины при сжигании углей исключен. А сброс газов через башни охлаждения или камины имеет меньше смысла без охлаждения газов до конденсации Н₂О и без возврата уловленной теплоты в тепловую схему НРР для экономии топлива и снижения выбросов СО₂.

В ходе анализа схем глубокой утилизации теплоты дымовых газов, мы пришли к формулированию жестких условий, которые обеспечат на НРР коммерчески самое эффективное снижение температур этих газов при работе НРР сразу на рынки двух видов энергии, с минимизацией затрат энергии на нужды самой НРР и при снижении удельных капиталовложений в реализацию подобных схем. Охлаждение дымовых газов на НРР в байпасе подогревателя воздуха котлов, и за этими подогревателями в газоходе и в WLDS, рекомендуем реализовать только в 2 или 3 стадии. Отведенную теплоту каждой стадии следует отдельно использовать в разных технологических схемах. Охлаждение газов в байпасе подогревателя воздуха эффективнее всего реализовать для нагрева воды для подачи на коммерческий рынок теплоты, или нагревать там же часть основного конденсата турбины или воды для компенсации потерь тепловой схемы. В этих подогревателях воды, размещенных в газоходе-байпасе при оптимальной доле подводимых дымовых газов, можно отказаться от интенсификации теплообмена использованием труб с ребрами. Цена этих труб обычно в 8-10 раз выше цены гладких труб того же диаметра, а снижение массы нагревателя, изготовленного из труб с ребрами, не превышает 40-50%, то есть он всегда будет много дороже дополнительного экономайзера, изготовленного из обычных гладких труб.

Снижение температур отходящих газов уже после подогревателя воздуха после их смешением с газами байпаса, следует ограничить уровнем 80-90 С. Это условие надежной работы газоходов и дымовой трубы. Исключена конденсация Н₂О на стенках. Это гарантирует надежную работу НРР в холодное время и при авариях на низкотемпературном оборудовании, установленном в газоходе после подогревателя воздуха. Это также позволит между подогревателем воздуха и WLDS или другой установки конденсации Н₂О поставить еще один небольшой теплообменник для охлаждения газов от 80-90 С до температуры конденсации Н₂О. При наличии WLDS и сжигании угля она составляет 60–70 С. Этот второй диапазон охлаждения газов на 20-30 С следует реализовать только в аппарате с интенсифицированной поверхностью нагрева, без сильного увеличения затрат электроэнергии. В таком теплообменнике следует нагревать часть потоков воды возвращаемой сетевой воды и вод компенсации потерь воды на НРР. Еще более имеет смысл нагревать воду специального контура, для последующего нагрева этой водой воздуха перед подогревателем воздуха или воздуха для отопления и вентиляции. На НРР, сжигающих натуральный газ, этой водой можно нагревать природный газ перед сжиганием в котле или в газовой турбине, а также перед турбиной-детандером с электрогенератором, замещающей дросселирование газа, поступающего НРР из газопровода. Эти схемы разработаны Е.В.Волкова с участием автора текста для газовых НРР Урала и Сибири. Но кроме пилотных установок, внедренных 20-30 лет тому назад, эти проекты не имеют поддержки энергетических компаний. Думаю, что внедрение таких схем следует заложить в проекты новых НРР, в том числе сжигающих угли. Термический коэффициент эффективности подобных НРР выработки электроэнергии (нетто) по немецким данным и по нашим оценкам может реально достигать 46-47%. Это выше, чем у любых существующих угольных парогазовых НРР с внутренней газификацией топлив, не доказавших пока своих преимуществ перед НРР обсуждаемого типа.

Вторая группа проблем создания новых НРР – это выбор технологии экологически безопасного, экономного сжигания угля. Считаем, что следует отказаться от схем двух или трехстадийного факельного сжигания. При длительных поставках на НРР углей стабильных свойств, следует отказаться от низкотемпературного кипящего или циркулирующего кипящего слоя. С учетом комплексных и постоянно растущих требований к экологической безопасности, котлы с такими топками экологически и экономически будут неэффективны. Снижение выбросов NO_x и SO₂ на них не всегда соответствует новым европейским нормам, а сами эти технологии не позволят без дополнительных мер очистить дымовые газы от более опасных HCl, Tl и Hg. Отходы топок кипящего и циркулирующего кипящего слоя при вводе сорбента, связывающего SO₂, – это новая экологическая проблема. Они содержат очень опасные химически еще активные вещества, и не пригодны для продажи на коммерческих рынках. Поэтому подлежат специальному депонированию. Низкотемпературное сжигание углей значительно опаснее экологически и мене экономично, чем современные технологии факельного сжигания в сочетании с WLDS. Следует также учесть проблему улавливания за кипящим (циркулирующим) кипящим слоем крупной золы, содержащей канцерогенные углеводороды. Увеличенный уровень внутренних потерь электроэнергии на обеспечение работы этих технологий на 2-4 абсолютных процента дополнительно вызовет эквивалентное увеличение выбросов СО₂.

Выбор способа экологически безопасного факельного сжигания требует новых конструкций камерных топок, пылеприготовления, горелок и сбросных сопел воздуха. Это определит необходимость внедрения денитрогенизации (DeNO_x) дымовых газов c каталитическим восстановлением оксидов азота NO_x. Если стандарты выбросов NO_x будут ужесточены, то, видимо уже не отказаться от установки DeNO_x, и для DeNO_x нужно предусмотреть место размещения. Считаем, что независимо от этого, следует на НРР всегда внедрять только самые эффективные технологии факельного сжигания. Сегодня имеется только одна такая технология, которая у разных фирм называется различно: ступенчатый подвод воздуха, двухзонное сжигание и другие. Следуя профессору Рослякову, назовем всех их стадийным нестехиометрическим сжиганием (SNB). Суть SNB состоит в организации стадийного сжигание всего топлива в восстановительной атмосфере с недостатком О₂, которая дожигается, затем, в верхней части топки. Стадии сжигания обеспечат избирательное подавление образования топливных, быстрых и термических NO_x. Одновременно организовано восстановление уже образовавшихся NO_x в среде повышенных концентраций СО и Н₂. Надежное и полное дожигание восстановительной атмосферы реализуется подачей воздуха в верхнюю часть топки через систему регулируемых сопел, размещенных на двух или четырех стенах, в 2-3 яруса. Известный нам опыт показал, что с помощью таких технологий сжигания угля можно снизить концентрации NO_x в дымовых газах ниже уровня в 150-200 мг/нм³ при сумме q₃+q₄ не выше 1-2%.

Наш опыт внедрения нестехиометрического сжигания природного газа т мазута на котлах ПК-47 уже свыше 20 лет, без применения на котлах рециркуляции продуктов сгорания в топку, стабильно обеспечил самые низкие выбросы NO_x среди котлов российских блоков на НРР, при самых низких в стране избытках воздуха и без химической неполноты сгорания. Известно, что на некоторых угольных НРР Европейского Союза такие схемы сжигания позволили отказаться на время от использования DeNO_x для снижения выбросов NO_x, без неизбежного удорожания НРР на 14-16%. Если будет необходимо, можно дополнить SNB установкой DeNO_x. Тогда по данным инженеров США, можно понизить содержание NO_x за угольными котлами даже ниже уровня выбросов NO_x лучшими парогазовыми НРР на натуральном газе, то есть ниже, чем 15-25 мг/нм³. На ряде котлов в США предполагают понизить и концентрации СО до 50-100 mg/m³. В мире сегодня пока нет ни одной другой коммерчески пригодной технологии сжигания углей, позволившей достичь на практике такого уровня экономичности и экологической безопасности сжигания углей в рамках приемлемых удельных капиталовложений в новые НРР.

Топочные методы подавления NO_x при факельном сжигании обычно в 10-15 раз дешевле установок DeNO_x. Но внедрение методов SNB требует радикального изменения топок и новых специальных горелок экологически чистого сжигания. Нами был разработан ряд новых газовых и угольных горелок этого класса 20-25 лет тому назад, а недавно были предложены более эффективные схемы горелок на фирмах «СОНАТ» и «Вихревые системы» вместе с В.В.Костюниным на тех же принципах. На моделях с горением отработаны аэродинамические схемы, реализующие устойчивое воспламенение и управляемое стадийное сгорание угольной пыли, причем в значительной мере в самой горелке. Несмотря на сильные различия в конструкциях этих горелок, процесс в них организуется по единой схеме. Сначала создается устойчивый выход летучих веществ и их воспламенение в закрученной струе первичного воздуха, без помощи горящего газа и мазута. Затем процесс усиливается и регулируется во второй зоне, где начинается газификация углеродной массы. Для этого разработаны конструкции узлов реализации двух первых зон на базе специальной аэродинамической структуры закрученного потока воздуха и новых способов управления потоком, которые ранее были разработаны нами и изучены на холодных моделях горелок. Позже их развил и опробовал В.В.Костюниным на моделях горелок с горением пыли угля. Дополнительно нами опробован насадок для горелки, с помощью которого можно очень эффективно влиять на форму, размеры горящего факела, а также на интенсивность горения в пространстве за горелкой.

Особенностью аэродинамических схем этих горелок является возможность задержки горящего вихря восстановительной атмосферы в канале горелки с регулированием температуры процесса в пределах 400 – 900 С. Появилась также возможность включать механизмы выборочное подавление NO_x разной природы в самой горелке. При опробовании некоторых моделей новых горелок нами было получено горение полидисперсной пыли разных сортов углей непосредственно в объеме холодной лаборатории, а не как обычно, - только в горячей топочной камере. Доработка этих горелок с их опробованием на топках реальных котлов НРР пока затруднена, так как предложенные решения противоречат схемам и принципам оформления горелок, разрешенных к внедрению действующими в России стандартами.

Решение выделенных нами основных проблем для новых угольных НРР обеспечит оптимальный выбор мощности ее энергетических блоков. Известный нам опыт разных стран показывает, что при достижении высоких показателей экологической безопасности и экономичности не выгодно строить новые угольные блоки единичной мощностью менее 700-800 МВт, если использовать WLDS совместно с DeNO_x. Оптимум мощности нового блока составит, видимо, 900-1000 МВт, но только не 300 или 500 МВт. С учетом экономии топлива и защиты климата следует отказаться от паровых турбин конденсационного типа. Применение мощных отопительных отборов, (по возможности и промышленных) на турбинах новых НРР считаем обязательным. Другой уровень проектирования угольных НРР - это выбор единой концепции всего основного и вспомогательного оборудования НРР как единой системы экологической безопасности. Доля стоимости экологической части новой НРР, достигающей 40% на многих современных европейских НРР, можно будет понизить, не рискуя, что через 10 лет новая НРР станет совершенно неконкурентоспособной при работе на рынки энергообеспечения экономически эффективных и развитых стран.