Современное состояние ТЭС и информационный анализ воздействия его на окружающую среду Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЭС И ИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЕГО НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

© Умбетова Ш.М.*

Казахский национальный технический университет им. К.И.Сатпаева, Республика Казахстан, г. Алматы

Проведено исследование сжигания угля с подсветкой мазута на котлах ТЭЦ-2 АО «АлЭС». Создана информационная модель системы управления экологической безопасности ТЭС для снижения выбросов в окружающую среду и численные методы ее решения.

Природно-ресурсный потенциал республики является основой и базисом устойчивого развития экономики и производства. Однако освоение и эксплуатация минерально--сырьевых ресурсов обуславливает рост загрязнения, деградацию окружающей среды, дестабилизацию экологической ситуации и снижение качества окружающей среды в регионах.

После обретения независимости, энергетический сектор Казахстана был подвергнут рыночным преобразованиям. Основные производительности энергетических ресурсов были приватизированы. Были образованы национальные компании по транспортировке электроэнергии, газа и нефти. В апреле 1999 года была принята государственная «Программа развития электроэнергетики до 2030 года». Основным приоритетом программы является обеспечение энергетической независимости страны на ближайшую и отдаленную перспективу. Эта цель осуществима благодаря тому, что Казахстан обладает энергетическими ресурсами, достаточными для покрытии не только своих потребностей, но и экспорта в другие страны, как в виде сырья, так и в виде электроэнергии.

Всего в Казахстане 57 электрических станций общей установленной мощностью 18572 МВт; 8 крупных электростанций национального значения поставляющих производимую энергию в Национальную электрическую сеть (10646 МВт): Экибастузская ГРЭС - 1 (АЕБ) - 4 000 МВт; Эки-бастузская ГРЭС-2 - 1 000 МВт; Аксуская ГРЭС - 2 100 МВт; Карагандинская ГРЭС-2 - 608 МВТ; Жамбылская ГРЭС - 1 230 МВт; Иртышский каскад ГЭС - 1 708 МВт (Бухтарминская ГЭС - 675 МВт, Шульбинская ГЭС - 702 МВт, Усть-Каменогорская ГЭС - 331 МВт).

Крупнейшие электроэнергетические комплексы расположены на севере и в центре республики, обеспечивая эти районы электроэнергией в достаточной мере. В то же время, южный регион имеет недостаток энергети-

* Доцент кафедры Строительные инженерные системы, кандидат технических наук

ческих ресурсов и импортирует уголь, газ, мазут и электроэнергию из других регионов страны и из-за границы. В Западном Казахстане имеются значительные запасы нефти и газа и ускоренными темпами развивается нефтегазодобывающая промышленность, однако в этом регионе имеется дефицит электрогенерирующих мощностей и часть электроэнергии импортируется из России.

В 2002 году в Казахстане произведено 58.2 млрд. квт.ч. электроэнергии, в том числе: угольными теплоэлектростанциями - 80 %, газотурбинными электростанциями - 5 %, гидроэлектростанциями - 15 %. Динамика производства и потребления электроэнергии в Казахстане приведена в табл. 1.

Таблица 1

Динамика производства и потребления электроэнергии в Казахстане

Показатели 1990 1995 2000 2002 2010 2030

Потребление, млрд. КВт/ч 104.32 74,38 54,4 58,0 72/60,5 130/90

Выработка, млрд, КВт/ч 87,38 66,98 51,4 58,2 72/60,5 130/90

Импорт электроэнергии 17,34 7,4 3 - - -

Источник: Программа развития электроэнергетики до 2030 г.

Климатическими условиями Казахстана обусловлено значительное потребление тепла для нужд теплоснабжения. Годовое потребление тепла составляет более 150 млн. Гкал. Основная часть тепла расходуется для теплоснабжения городов. Основным потребителем тепла является население. Более 50 % потребностей в тепле в городах покрывается за счет централизованного теплоснабжения и теплофикации от тепловых электроцентралей, что обеспечивает комфортные условия проживания в городах и экономию топлива при совместной выработке тепла и электроэнергии. Динамика потребления тепла в Казахстане за период 1990-2020 гг. приведена в табл. 2.

Таблица 2

Динамика потребления тепла в Казахстане за период 1990-2020 гг.

Потребление, Гкал/год 1990 1995 2005 макс/мин 2010 макс/мин 2020 макс/мин

Теплопотребление в городах 109,7 98,3 104,4/102,6 119,9/115,8 133,9/123,0

Теплопотребление с сельской местности 62,0 60.0 53,0 46,0 45,0

Сумма 171,7 158,3 157,4/155,6 165,9/161,8 178,9/68,3

Источник: Программа развития электроэнергетики до 2030 г.

По прогнозам Минэкономики нашей страны электропотребление составит в 2010 г. - 1100 млрд. кВт/ч (в 1990 г. эта величина равнялась 1074 млрд.

кВт/ч). Это означает кардинальное изменение топливного баланса в энергетике. В этих условиях уголь становится базовым стратегическим топливом. Огромные запасы угля в Казахстане (23 % от мировых) позволяют строить долговременную концепцию развития электроэнергетики по его использованию как основного топлива ТЭС.

Поэтому основная задача в развитии электро- и теплоэнергетики Казахстана, как и во всем мире, заключается в обеспечении в процессе выработки электрической и тепловой энергии высокой экономичности, надежности, полной экологической безопасности, т.е. минимальных затрат топливно-энергетических ресурсов, при оптимальных энергосберегающих технологиях.

Одним из самых токсичных компонентов выбросов ТЭЦ являются окислы азота. По степени воздействия на живые организмы окислы азота относятся ко второму классу опасных веществ (вещества высокоопасные), и для них установлены безопасные предельно-допустимые концентрации - ПДК в рабочих зонах промышленных цехов и в атмосферном воздухе населенных пунктов. Различают среднесуточные и разовые ПДК. Последние являются основными показателями токсичности тех или иных веществ. Так, ПДК для окислов азота в 6 раз меньше, чем для двуокиси серы и составляет 0,085 мг/куб. м [1].

Многообразие факторов, влияющих на выход МОх при факельном сжигании твердого топлива, затрудняют как интерпретации получаемых результатов, так и поиски новых путей при решении вопроса о снижении выбросов МОх. В настоящее время борьба с выбросами оксидов азота идет по нескольким направлениям: во-первых, существует большое число способов снижения МОх в уходящих газах, основанных на изменении режима сжигания топлива. Это так называемые «режимные» или «технологические» способы снижения выбросов МОх из дымовых газов с помощью различного рода поглотителей. И, наконец, третьим направлением -восстановление образовавшихся оксидов азота аммиаком с применением катализаторов.

Санитарные нормы в окружающем воздушном бассейне раньше обеспечивались за счет рассеивания газов с помощью дымовых труб. Однако этот метод ограничен как по возможности, так и по затратам. В связи с необходимостью суммации окислов азота и серы, роста мощности станции, наличия фона из-за централизации промышленности необходимо строить слишком высокие и дорогие дымовые трубы. Данный метод в некоторых случаях удовлетворяет санитарным требованиям, однако отрицательное воздействие выбросов на окружающую среду распространяется на большие территории.

В вопросе снижения выбросов оксидов азота теплоэлектроцентралями являются технологические методы, состоящие в совершенствовании и

изменении топочного процесса, в том числе горелочных устройств. Наиболее важным по значимости следует здесь назвать двухступенчатое сжигание. В той или иной мере элементы двухступенчатого сжигания можно проследить во многих других приемах, имеющих свое название. Так, например, замедленное смешение вторичного воздуха с аэросмесью приводит в своем итоге к уменьшении содержания кислорода на стадии воспламенения, т.е. к тому же, к чему направлено двухступенчатое сжигание [2]. Перераспределение топлива или воздуха по горелкам также создает условия для ступенчатого сжигания топлива. Многие конструкции горелок, разработанных с целью снижения выбросов окислов азота, реализует принцип ступенчатости сжигания топлива. Ступенчатое сжигание может осуществить двумя разными путями: путем ступенчатой подачи воздуха в зону горения; путем ступенчатой подачи топлива в зону горения.

При этом реализуются разные механизмы снижения окислов азота. В первом случае уменьшается концентрация кислорода в воспламеняющихся объемах, что приводит к снижению выхода МОх за счет замедления реакции:

ЯЫ + Я0 ^ N0 +... (1)

Во втором случае часть топлива, содержащего азот, подается в образовавшиеся на первом этапе сжигания газы для усиления роли второй реакции, по которой идет восстановление окиси азота:

ЯЫ + ЯО ^ +... (2)

Образование окислов азота в топках котлов происходит в результате окисления азота воздуха при высоких температурах, а также в результате разложения и окисления азотсодержащих соединений, входящих в состав твердых и жидких топлив [3].

Необходимо подчеркнуть, что подавление процесса образования МОх непосредственно в топках котлов экономически более целесообразно, чем какая-либо очистка продуктов сгорания от уже образовавшихся в топке окислов азота.

Получение этой информации позволило бы сделать выводы о возможностях и путях подавления образования окислов азота. Обследованные ТЭЦ загрязняют атмосферный воздух в основном окислами азота и на их снижение в выбросах необходимо обратить основное внимание. Прежде всего необходимо наладить нормальную работу горелок, т.е. упорядочить отношения расходов первичного и вторичного воздуха в горелках. За счет этого можно снизить выбросы окислов азота примерно на 60 %.

Дальнейшего снижения выбросов окислов азота в продуктах сгорания Экибастузского угля можно достичь путем сжигания его с мазутом. По

отдельным данным происходит снижение окислов азота примерно на 3040 % при доле сжигаемого мазута 20 %.

При исследовании сжигания угля с подсветкой мазута на котлах ТЭЦ-2 АО «АлЭС» повышается содержание сернистого газа в выбросах, так что суммарная токсичность дымовых газов в целом снижается на 20-30 % (табл. 3).

Таблица 3

Расчет вредных веществ в атмосферу от котлов АлЭС ТЭЦ -2

Расчет Расчет Расчет выбросов Расчет вы- Расчет вы- Расчет

№ Вид выбросов выбросов оксидов азота, т бросов бросов выбросов

котла топлива твердых оксидов диоксида оксида окиси оксида ва- золошлак.

частиц, т серы, т азота азота углерода, т надия, т отходов, т

2 уголь 74,084 94,497 36,86 5,99 1,307 - 4245,738

2 мазут - 0,328 - - - 0,001 -

3 уголь 153,296 182,082 71,015 11,54 2,517 - 7904,609

3 мазут - 0,625 - - - 0,003 -

4 уголь 124,272 162,807 63,485 10,316 2,369 - 7131,225

4 мазут - 0,547 - - - 0,002 -

5 уголь 161,916 215,033 83,846 13,625 2,503 - 9297,651

5 мазут - 0,718 - - - 0,003 -

7 уголь 63,793 73,869 28,803 4,68 1,021 - 3285,361

7 мазут - 0,246 - - - 0,001 -

от всех котлов уголь 577,361 728,288 284,009 46,152 9,51 - 31864,58

от всех котлов мазут - 2,465 - - - 0,01 -

Кроме того, ведутся поиски новых путей снижения выбросов вредных веществ и новых способов подавления их образования в самом процессе горения топлива. Создана информационная модель системы управления экологической безопасности ТЭС для снижения выбросов в окружающую среду и численные методы ее решения, которые позволят упростить разработку мероприятий по снижению вредных пылегазовых выбросов на ТЭЦ Казахстана.

Список литературы:

1. Отраслевая инструкция по нормированию вредных выбросов в атмосферу для ТЭС и котельных. РД 34.02.303-91, 1990.

2. Котлер В.Р. Ступенчатое сжигание - основной метод подавления окислов азота на пылеугольных котлах // Теплоэнергетика. - 1989. - № 8. -С. 41-44.

3. Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. - М.: Энерго-атомиздат, 1987.