книги / Стратегия устойчивого развития

комплексных критериев, учитывающих их безопасность, экономичность, анализ их полного жизненного цикла с учетом отдельных показателей.

Рост производства и потребления энергии, особенно в развивающихся странах, определяет необходимость прогнозирования негативных последствий развития энергетики, учета возможных экологических рисков и неопределенность последствий их реализации, могущих оказать существенное влияние на состояние окружающей среды, здоровье и санитарные условия жизни населения планеты.

Среди негативных последствий развития производства энергии на невозобновляемых источниках (ископаемые виды топлива, ядерная и термоядерная энергия) одним из основных является дополнительный нагрев среды обитания. Использование возобновляемых источников энергии не приводит к дополнительному нагреванию планеты.

Расчетами установлено, чтомаксимальный ростэнергопотребления присложившейся структуре используемых энергоносителей к 2100 году приведет к повышению среднегодовой приземной температуры на 0,2 °С при среднегодовых отклонениях в природе от средних значений до 0,5 °С. Это позволяет сделать вывод о том, что такое повышение температуры находится ниже обычных колебаний и не накладывает ограничений по этому критерию на развитие энергетики в прогнозируемых масштабах.

Другим важным критерием возможного негативного влияния развития энергетикиявляется выброс парниковых газов. Известно, чтовклад теплоэнергетики вобщий выбросСО2 колеблетсявпределахоколо80 %. Неменееважнымявляетсявыбросметана, который поступает от объектов теплоэнергетического комплекса (ТЭК) в виде утечки при добыче и транспортировке газа, а также при накоплении его в угольных шахтах и выбросе в атмосферу с вентиляционным воздухом.

Анализ возможных экологических рисков, связанных с развитием энергетики, позволяет определить наиболее важные из них:

–вероятностьклиматических измененийиз-затепловогозагрязненияипарнико- вого эффекта за счет выбросов СО2 и метана;

–загрязнение атмосферного воздуха и подкисление окружающей среды за счет выбросов от сжигания ископаемых видов топлива;

–риск аварий на АЭС, проблемы безопасного обращения с отходами от работы АЭС после завершения срока их службы, а также попадания ядерных энергетических объектов в ненадежные руки;

–проблемы недостатка древесного топлива в развивающихся странах.

Продолжающийся быстрый рост потребления для энергетических нужд газа, нефти, угля свидетельствует о необходимости замены в долгосрочной перспективе существующей энергетической системы на новую, использующую экологически чистые и возобновляемые источники энергии.

Имеющиеся прогнозные данные по развитию энергетики на период до 2100 года позволяют сделать вывод о том, что избежать глобального энергетического кризиса и связанных с ним неблагоприятных экологических последствий можно путем бо-

221

лее полного использования возобновляемых источников энергии, энергосбережения и повышения энергоэффективности экономики.

Из всех видов возобновляемых источников наибольшее значение приобретает в долгосрочной перспективе использование солнечной энергии. Только 3 % потока энергии Солнца, достигающего Земли, при коэффициенте преобразования 30 % позволит более чем в 100 раз превысить современную мощность производства энергии на планете. Уже в среднесрочной перспективе (после 2050 года) солнечная энергетика будет обеспечивать до 20 % всех энергетических потребностей общества. Производство энергии на гидроэнергетических установках существенно не возрастет и останется примерно на существующем уровне. Биоэнергетика в перспективе после 2030–2050 годов вероятно сможет обеспечить также до 20 % выработки энергии при условии выведения новых высокопродуктивных растений, эффективных методов их выращивания и переработки в топливо.

Энергия Мирового океана (океанические приливы, волны, температурный градиент) и геотермальная энергия будут использоваться в возрастающих масштабах по мере роста цен на традиционные энергоносители, но их вклад будет не существенным.

Особоеразвитиеполучатядерныетехнологии, основанныенановыхпоколениях реакторов, обладающих повышенной внутренней безопасностью. Наилучшей альтернативойявляетсяуправляемыйтермоядерныйсинтез – экологическибезопасный, практически неограниченный ресурсами источник энергии. Развитие термоядерного синтеза и создание на его базе энергетических установок позволит обеспечить более половины энергопроизводства в отдаленной перспективе на планете.

Тепловая энергетика, основанная на потреблении ископаемых видов топлива, постепенно после 2100 года уступит свою доминирующую роль в производстве электроэнергии.

Значительное развитие получит малая энергетика в локальных энергосистемах, малых населенных пунктах на отдельных промышленных предприятиях, что сократит потери на транспортировку энергии и обеспечит конкурентность малых электростанций мощностью до 30 мВ, котельных производительностью до 20 Гкал/ч.

Вбольшинстве развитых стран основной формой развития энергетической отрасли является создание на базе ТЭК централизованных энергетических систем.

Вплане ГОЭЛРО и последующих плановых документах и практике развития народного хозяйства СССР также был выбран путь создания мощных централизованных энергетических систем, позволяющих более эффективно координировать производство, транспортировку и использование энергии.

Впоследние десятилетия наряду с дальнейшим развитием централизованных энергетических систем в целях более полного использования энергетических ресурсов, особенно тепловых отходов, во многих странах стало расширяться децентрализованное производство тепла и электроэнергии. В таких странах, как Дания, Финляндия, оно стало основой государственной энергетической политики. Комплексное

222

ГЛАВА 17. ТРАДИЦИОННАЯ УГЛЕВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Традиционная энергетика использует природные запасы невозобновляемых веществ и материалов для производства энергии (тепловой и электрической). Энергия невозобновляемых источников находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека. В общем виде эти природные вещества и материалы, способные при горении (окислении) выделять значительное количество теплоты, принято называть топливом. По определению, данному Д. И. Менделеевым, «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения тепла». Практическая целесообразность использования топливаопределяетсяегоколичественнымизапасами, удобствамидобычи, скоростью горения, теплотворной способностью, возможностью длительного хранения

ибезвредностью продуктов сгорания для людей, растительного и животного мира

иоборудования.

Вэнергетике для получения электрической энергии на тепловых электрических станциях (ТЭС) в основном используются топлива органического происхождения.

Обеспеченность ресурсами является основой функционирования теплоэнергетики и всей энергетики в целом.

Применение двигателей внутреннего сгорания в промышленной теплоэнергетике, в морском и автомобильном транспорте, в сельском хозяйстве, а затем

ив авиации вызвало развитие добычи и переработки нефти. Для бытовых и промышленных целей стало использоваться газовое топливо, как более дешевое, удобное в эксплуатации и удешевляющее котельное оборудование. С середины XX века прирост теплоэнергопотребления происходит преимущественно за счет этих видов ресурсов.

Горючие топлива бывают органического (табл. 17.1) и неорганического происхождения. Они могут быть твердыми, жидкими и газообразными.

Окислителями служат вещества, включающие элементы с незаполненными внешними атомными оболочками, например кислород, у которого не хватает двух электронов, фтор и хлор – по одному.

Все виды органического топлива представляют собой углеводородные соединения, в которые входят небольшие количества других веществ.

Ктвердому топливу относят: каменный и бурый уголь, торф, дрова, сланцы, отходы лесопиления и деревообработки, а также растительные отходы сельскохозяйственного производства.

224

Твердые топлива используются в основном на ТЭС для получения электрической энергии, отопления, технологических нужд промышленности.

К жидкому топливу относят нефть, а также различные продукты ее переработки: бензин, керосин, лигроин, разнообразные масла и остаточный продукт нефтепереработки – мазут. Искусственное жидкое топливо и горючие смолы, а также масла получают при переработке твердых топлив.

До 70 % и более жидких топлив используется на транспорте – авиация, автомобили, трактора, суда, железнодорожный транспорт (тепловозы), около 30 % сжигается в виде мазута на тепловых электростанциях. Сырую нефть в качестве топлива

вкотельных не применяют.

Кгазообразному топливу относят природный газ, добываемый из недр земли, попутный нефтяной газ, газообразные отходы металлургического производства (коксовый и доменный газы), крекинговый газ, а также генераторный газ, получаемый искусственным путем из твердого топлива в особых газогенераторных установках.

Газообразные топлива сжигаются на ТЭС для получения электрической и тепловой энергии и в небольшом количестве используются на транспорте.

Топливо в том виде, в каком оно поступает для сжигания в топки или двигатели внутреннего сгорания и специальные аппараты, называется рабочим.

В общем случае в состав рабочего (твердого или жидкого) топлива входит углерод, водород, кислород, азот и летучая сера, а также негорючие минеральные примеси – зола и влага.

Характеристикатопливапосоставурабочеймассыявляетсявесьманеустойчивой, поскольку она может значительно колебаться в зависимости от способа его добычи, транспортирования и хранения.

Влага, содержащаяся в топливе совместно с золой, называется балластом топлива.

Балласт значительно снижает ценность топлива, уменьшая его теплоту сгорания.

Влага в топливе вредна тем, что, во-первых, на ее испарение при горении расходуется тепло и, во-вторых, уменьшается относительное количество горючего веще-

225

ства в топливе. Наличие золы не только снижает теплоту сгорания, но значительно затрудняет процесс горения в топке и ее эксплуатацию.

Вестественных видах ископаемого твердого топлива встречается сера трех разновидностей: органическая S°, связанная с другими элементами топлива (С, Н, N

иО) в виде сложных органических соединений; колчеданная SK в виде пирита, кол-

чедана FeS2; сульфатная Sсульф в виде солей серной кислоты (гипс, FеSО4 и др.). Сульфаты представляют собой высокие окислы серы, поэтому находящаяся

вних сера гореть не может. Присутствующие в топливе органическая и колчеданная

серы сгорают, образуя токсичный сернистый ангидрид SO2 и (в небольших количествах) еще более токсичный серный ангидрид SO3. Выброс их с продуктами сгорания вызывает загрязнение воздушного бассейна.

Золой называют твердое негорючее вещество, остающееся после сжигания топлива в атмосфере воздуха. Зола может быть в виде сыпучей массы с плотностью

всреднем 600 кг/м3 и в виде сплавленных пластин и кусков, называемых шлаками, с плотностью до 800 кг/м3.

Всостав золы большинства видов твердого топлива входят: глинозем, кремниевая кислота, известь, магнезия, щелочь, окислы железа.

Часть золы в топливе распределена довольно равномерно. Другая часть, представляющая собой пустую породу, захваченную при разработке или добыче топлива, распределена неравномерно, но может быть сравнительно легко отделена. Процесс отделения золы, называемый обогащением твердого топлива, получил широкое распространение, хотяондостаточнодорогипотомуприменяетсялишьдляуглей, предназначенных для коксования.

При высокой температуре зола плавится. Степень легкоплавкости золы в значительной мере зависит от ее состава.

Зола способствует разрушению обмуровки топочных устройств и поверхностей камер сгорания, оседает в газоходах теплообменных аппаратов и ускоряет износ поверхностей, обтекаемых забалластированным газовым потоком, а также засоряет окружающую местность.

Влажностьтопливаможетдоходитьдо50% иболееиопределяетэкономическую целесообразность использования данногогорючегоматериала ивозможность егосжигания. Влага снижает температуру в топке и увеличивает объем дымовых газов.

Влага является балластной примесью, которая уменьшает тепловую ценность исходного топлива. Часть теплоты, выделяемой топливом при его сгорании, расходуется на испарение влаги.

Различают влагу внешнюю и внутреннюю, или гигроскопическую. К внешней относится влага, попадающая в топливо при его добыче, хранении или транспортировке, а также капиллярная, заполняющая многочисленные поры угля и торфа. Содержание внешней влаги в различных видах топлива колеблется в широких пределах – от нескольких процентов до десятков процентов. Эта влага может быть сравнительно легко удалена высушиванием. Гигроскопическая и коллоидная влажность топлива зависят от его структуры и связаны с органическими веществами топлива

226

иего минеральными примесями. В жидком топливе содержится только внешняя влага в капельно-жидком состоянии в виде эмульсии.

Летучие вещества. При нагревании твердого топлива без доступа воздуха его органическая масса разлагается, в результате чего образуются газы, водяные и смоляные пары и углеродосодержащий остаток. Суммарное количество выделяющихся летучих веществ увеличивается с ростом температуры и времени выдержки. Этот процесс в основном заканчивается при 700–800 °C. Выход летучих веществ является важнейшей характеристикой горючей массы топлива и уменьшается по мере увеличения его возраста. Чем больше выход летучих веществ, т. е. чем больше топлива превращается при нагревании в горючий газ, тем проще зажечь это топливо и легче поддерживать устойчивое горение.

Практически все жидкие топлива пока получают путем переработки нефти (бензин, керосин, дизельное топливо и мазут). Мазут, как и моторные топлива, представляет собой сложную смесь жидких углеводородов, в состав которых входят в основном углерод (84–86 %) и водород (10–12 %); кроме того, незначительное количество кислорода и азота (1–2 %); содержание воды и зольность не превышают 0,2–1,5 %. Содержание азота в мазуте зависит как от марки нефти, из которой получен мазут, так и от особенностей технологического процесса его получения. В большинстве мазутов, сжигаемых на электростанциях России, доля азота составляет 0,25–0,35 % массы топлива.

Мазуты, полученные из нефти ряда месторождений, могут содержать много серы (до 4,5–5,0 %), что резко усложняет защиту окружающей среды при их сжига-

нии [18].

Из указанных выше жидких топлив в котельных и промышленных печах сжигаются только топочные мазуты.

Основные свойства жидких топлив – плотность, испаряемость, вязкость, стабильность при хранении, температуры застывания, вспышки, воспламенения и самовоспламенения, антидетонационная стойкость и др.

По испаряемости жидкие топлива делят на легкие (испаряются полностью и быстро при невысоких температурах) – бензин, бензол, газолин, керосин, лигроин –

итяжелые (испаряются медленно и при высоких температурах) – мазуты. Газообразное топливо по сравнению с другими видами топлив имеет ряд суще-

ственных преимуществ: сгорает при небольшом избытке воздуха, образуя продукты полного горения без дыма и копоти, не дает твердых остатков; удобно для транспортировки по газопроводам на большие расстояния и позволяет простейшими средствами осуществлять сжигание в установках самых различных конструкций и мощностей. Газообразное топливо делится на естественное и искусственное.

Природный газ получают из газовых месторождений, где он выбрасывается из недр земли под давлением.

Основным его компонентом является метан; кроме того, в газе разных месторождений содержатся небольшие количества водорода, азота, высших углеводородов, оксида и диоксида углерода. В процессе добычи природного газа его обычно очищают от сернистых соединений.

227

При добыче нефти выделяется так называемый попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов и поэтому выделяющий при сгорании больше теплоты. Проблема полного его использования сейчас весьма актуальна.

Кискусственным газам относят доменный газ, являющийся продуктом при выплавке чугуна на металлургических заводах; коксовый, образующийся при получении кокса в коксовых батареях; светильный, получаемый при сухой перегонке угля; генераторный, получаемый в газогенераторах.

Косновнымсвойствамгазообразныхгорючихотносятсяплотность, токсичность,

взрываемость, влажность, запыленность и др.

Анализ объемов и темпов роста мирового потребления первичных энергетических ресурсов за 2006–2020 годы позволяет сделать вывод о том, что потребление нефти, природного газа и угля вырастут в млн т. у. т. соответственно по нефти с 531 до 785, природномугазус1019 до2075 иуглюс1817 до2460. Приэтомтемпыростапотребления (в %) составят по нефти 148, природному газу 204 и углю 135 [20, 21].

Основными потребителями органического топлива для производства тепловой

иэлектрической энергии являются тепловые электрические станции (ТЭС).

По виду используемого теплового двигателя ТЭС можно подразделить на:

–электростанции с паровыми турбинами – паротурбинные ТЭС, которые являются основным видом электростанций в нашей стране и за рубежом, на них тепловая энергия используется для получения водяного пара высокого давления, а он, в свою очередь, заставляет вращаться ротор паровой турбины, соединенный с ротором электрического генератора;

–электростанции с газовыми турбинами – газотурбинные ТЭС, привод электрогенератора в которых применяется от газовой турбины;

–электростанции с парогазовыми установками – парогазовые ТЭС;

–электростанции с двигателями внутреннего сгорания – ДЭС.

В состав обычной паротурбинной ТЭС входят: топливное хозяйство и система подготовки топлива к сжиганию; котельная установка – котел и вспомогательное оборудование; турбинная установка – турбина и вспомогательное оборудование; установки водоподготовки и конденсатоочистки; система технического водоснабжения, система золошлакоудаления; электротехническое хозяйство; система управления энергооборудованием.

Топливное хозяйство включает приемно-разгрузочные устройства, транспортные механизмы, топливные склады твердого и жидкого топлива, устройства для предварительной подготовки топлива (дробильные установки угля). В состав мазутного хозяйства входят также насосы для перекачки мазута и подогреватели.

Подготовка твердого топлива к сжиганию состоит в размоле и сушке его в пылеприготовительной установке, а подготовка мазута заключается в его подогреве, очистке от механических примесей, иногда в обработке специальными присадками. Подготовка газового топлива сводится в основном к регулированию давления газа перед поступлением его в котел.

228

Необходимый для горения топлива воздух подается в котел дутьевыми вентиляторами. Продукты сгорания топлива – дымовые газы – отсасываются дымососами

иотводятся через дымовые трубы в атмосферу. Совокупность каналов (воздуховодов и газоходов) и различных элементов оборудования, по которым проходят воздух

идымовые газы, образуют газовоздушный тракт тепловой электростанции. Входящие в его состав дымососы, дымовая труба и дутьевые вентиляторы составляют тягодутьевую установку. Взонегорения топлива входящие вегосостав негорючие (минеральные) примеси претерпевают физико-химические превращения и удаляются из котла частично в виде шлака, а значительная их часть уносится дымовыми газами в виде мелких частиц золы. Для защиты атмосферного воздуха от выбросов золы перед дымососами (для предотвращения их золового износа) устанавливают золоуловители.

Шлак и уловленная зола удаляются обычно гидравлическим способом за пределы территории электростанции на золоотвалы.

При сжигании мазута и газа золоуловители не устанавливаются. Совокупность оборудования, отдельных его элементов, трубопроводов, по кото-

рым движутся вода и пар, образуют водопаровой тракт станции.

Вкотле вода нагревается до температуры насыщения, испаряется, а образовавшийсяизкипящей(котловой) водынасыщенныйпарперегревается. Изкотлаперегретый пар направляется по трубопроводам в турбину, где его тепловая энергия превращается в механическую, передаваемую валу турбины. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор, отдает теплоту охлаждающей воде и конденсируется.

При работе ТЭС сжигание топлива приводит к образованию пылегазовых выбросов, при производстве тепла и электроэнергии потребляется большое количество воды для технологических нужд, охлаждения и получения пара, идут сбросы низкотемпературного тепла.

При сжигании различных видов топлива в составе выбросов в атмосферу находятся, наряду с нетоксичными (углекислый газ, водяной пар), вредные вещества: оксиды серы, азота, углерода, соединения тяжелых металлов (свинец, кадмий, ванадий), сажа, углеводороды (в том числе и канцерогенные), летучая зола, пыль, радионуклиды. При сжигании твердого топлива образуется большое количество золы, диоксидов серы, оксидов азота. При сжигании жидкого топлива (нефть, мазут) мало золообразование, но остается высоким содержание диоксида серы, окислов азота, сажи, углеводородов. При сжигании газа также образуются эти загрязняющие вещества (за исключением летучей золы). Схема цикла сжигания топлива представлена на рис. 17.1.

Для повышения полноты сгорания твердого топлива (угля) его сжигают в виде пылеугольной смеси. Для очистки пылегазовых выбросов от золы применяют электрические и рукавные фильтры с эффективностью золоулавливания до 98,6–99,8 %.

Снижениесодержанияоксидовсерыведутпутемеесвязыванияизвестняком(эф-

фективность до 90 %). NOx подавляют внутритопочными методами (многоступенчатый подвод в камеру сгорания воздуха, использование малотоксичных горелок),

229

Рис. 17.1. Схема цикла сжигания топлива

а также селективными некаталитическими и каталитическими технологиями восстановления NOx с помощью аммиака.

Эффективными в экологическом отношении являются технологии сжигания супертонкой угольной пыли, а также сжигания угля в кислородной атмосфере. В последние годы опять возрос интерес к подземной газификации угля.

На современных ТЭЦ, работающих на угле, благодаря использованию новых экологически безопасных технологий практически исключены выбросы в окружающую среду пыли от размола угля, образующейся при приготовлении пылегазовой смеси для сжигания. Использование систем подавления образования оксидов азота, очистки от диоксидов серы и улавливания пыли, подбор оптимальных температур исключают образование недожога.

ВрезультатеэтоговвыбросахостаетсятолькоСО2, водянойпаринезначительное количество остальных загрязняющих веществ. Применение сухих систем отбора уловленной пыли вместо гидрозолоудаления позволяет отказаться от загрязняющих окружающую среду золоотвалов, а зола сухого отбора используется в цементной промышленности для производства цементов и бетонов как щелочное вяжущее.

Обработка очищенных от пыли выбросов известковым молоком позволяет получать товарный гипс высокого качества для медицинских нужд и производства строительных материалов.

ВРоссии разработаны и реализуются для использования на перспективных угольных ТЭС повышенные требования по выбросам вредных веществ в атмосферу: зола – до 150 мг/м3; оксиды серы – до 200–300 мг/м3.

Впроектируемых отечественных ТЭС предусматривают в обязательном порядке глубокую очистку дымовых газов от пыли, оксидов серы, окислов азота, обеспечивающую достижение нормативных требований по выбросам остаточных количеств вредных веществ.

230