Ликбез №45: Приказано – очистить

Тепловые электростанции (ТЭС) производят различные выбросы – такова «природа» энергетики, основанной на сжигании ископаемого топлива. Наиболее заметна эмиссия дымовых газов в угольной генерации – кроме газообразных продуктов горения, которые невооруженным глазом не увидеть, в выбросах таких ТЭС присутствуют еще и пылевидные частицы. Которые, так сказать, и «окрашивают» дым из высоких труб. Сильнее угля «чадит» мазут, который используется при растопках котлов и в качестве резервного топлива даже на крупных станциях (хотя есть и объекты, которые работают только на мазуте – например, Мурманская ТЭЦ, «дочка» ПАО «ТГК-1»). В такие моменты из труб может пару-тройку часов валить густой черный дым. Люди начинают пугаться и нервничать, но цвет дыма вскоре становится «обычным» и все успокаиваются. 

Чем выше дымовые трубы на ТЭС, тем больше площадь рассеивания, и, соответственно, ниже локальные концентрации вылетающих в воздух вредных веществ в приземном слое – «Кислород.ЛАЙФ» об этом уже рассказывал. В новом ликбезе поговорим про существующие на ТЭЦ и ГРЭС системы очистки дымовых газов.

Что нужно улавливать?

Станциям, работающим на «голубом топливе», жить немного проще – им нужно следить только за выбросами газов, обеспечивая соблюдение установленных ПДК для таких веществ в приземном слое атмосферы. А вот при сжигании угля в котле образуются не только газообразные, но и твердые остатки. До 90% этих отходов составляет зола и шлаки (минеральная, несгорающая часть). За счет систем золоудаления, в которых наиболее часто используются обычная вода (т.н. гидрозолоудаление – ГЗУ), все это добро перекачивается на золоотвалы. Золошлаковые отходы (ЗШО) – большая боль и одновременно надежда угольной энергетики. В России на золоотвалах мертвым грузом лежит более 1,5 млрд тонн ЗШО, которые могут стать материалом для самых разных индустрий – от строительной до цветмета. Но пока ЗШО используются не более чем на 10%. Почему – отдельная тема, к которой мы вернемся в другой публикации. 

Меньшую часть выбросов – т.н. «золу уноса» – составляют пылевидные частицы, в основном, сажа и зола. В зависимости от типа топлива (каменный, древесный или бурый уголь, мазут, природный газ, торф и т.д.) количество этих веществ может сильно различаться. Кроме этого, при сгорании угля образуются оксиды серы и азота, иногда – соединения фтора и хлора, сероводород, «парниковый» СО2 и даже тяжелые металлы (соединения ванадия, соли натрия, коксик и т.д. – в большинстве случаев они осаждаются на золе). Кроме негативного влияния на экологию, что очевидно, все эти выбросы вредно воздействуют и на оборудование тепловых станций: летучая зола, например, ускоряет износ газоходов и дымососов, а оксиды серы провоцируют коррозию металла. 

Вопреки мифам, угольные ТЭС практически не производят выбросов бенз(а)пирена. «Несколько килограмм в год, можно о них поговорить, но это мало, особенно по сравнению с другими объектами, которые выбрасывают его, - говорил в интервью НГС в апреле 2018 года Михаил Кузнецов, в то время возглавлявший Сибирскую генерирующую компанию (СГК). – Наши выбросы — это оксиды серы, оксиды азота и пыль. Пыль у нас очищается на большинстве станций на 99,9%, только десятые доли вылетают. Оксиды азота являются проблемой, но только потому, что они накладываются на такие же оксиды азота, выделяемые автотранспортом. Оксиды серы высота трубы позволяет рассеивать ниже ПДК в несколько раз. Вот и все, остальное — это какая-то придумка». 

В России действуют жесткие требования к степени очистки дымовых газов. В специальных томах ПДВ, которые утверждают в Росприроднадзоре для каждого крупного объекта, фиксируются предельные значения по выбросам пыли, сажи, ряду химических соединений и газам. Органы надзора федерального уровня жестко контролируют выполнение этих нормативов. Можно ставить под сомнение качество контроля или спорить, насколько строги требования к стационарным источникам выбросов (противники угольной генерации любят ссылаться на опыт Китая, где вроде как все намного строже). Но факт в том, что «большая энергетика» в России находится «под колпаком» и работает по правилам (в отличие от коммунальных котельных, и уж тем более «кочегарок» на «шиномонтажках» и в частном секторе). В итоге КЭС мощностью менее 2,4 ГВт и ТЭЦ до 500 МВт обязаны обеспечивать уровень очистки дымовых газов на уровне 96-99%. Тепловые станции большей мощности – не менее 99%.

Как улавливать?

Времена, когда продукты сгорания ископаемого топлива просто вылетали в дымовую трубу, остались в далеком прошлом. Еще в советские годы даже на самых мелких котельных старались организовать хоть какое-то улавливание. В самых общих чертах любой фильтр – это не какая-то мудреная штуковина, встроенная прямо в дымовую трубу: системы очистки представляют собой сложные, громоздкие и зачастую весьма дорогостоящие сооружения. 

Все конструкции уловителей «золы уноса» по типу среды в них делят на «мокрые» и «сухие». На каждой конкретной станции можно встретить различные комбинации этих устройств. Исключение – лишь ТЭС, где установлены электрофильтры, они обычно заменяют собой все остальное.

Уже по названию способа – «мокрый» – понятно, что его средой является вода, через которую «прогоняют» поток загрязненных газов. И таким образом его очищают, причем достаточно эффективно – наиболее распространенный, к примеру, на котельных и ТЭЦ скруббер с трубой Вентури способен работать со степенью очистки до 95-97%. И даже выше: к примеру, на Барнаульской ТЭЦ-2, где используются только скрубберы Вентури, этот коэффициент достигает 98%, а на Томь-Усинской ГРЭС – 97% (обе станции входят в структуру СГК).

Вообще, вариаций у скрубберов огромное множество (подробнее о них можно почитать вот здесь). Иногда вместо них или вместе с ними используются эмульгаторы. Самый распространенный – батарейный эмульгатор II поколения конструкции инженера Ю.А. Панарина – стоит, например, на одном из котлов Новосибирской ТЭЦ-2, что в паре со скруббером с трубой Вентури позволяет этой старейшей в городе станции очищать газы на 96-98%.

По данным компании «Свердловэнергоремонт», в конце 1990-х такие эмульгаторы были установлены на Серовской (сейчас входит в состав ОГК-2), а также Верхнетагильской и Нижнетуринской ГРЭС (принадлежат госхолдингу «Интер РАО»), причем на последней – в новых корпусах, размещенных на месте демонтированных изношенных скрубберов. Степень очистки даже на Верхнетагильской ГРЭС, которая сжигает экибастузский уголь, доходила до 99,6%. За 2001-2011 годы «Свердловэнергоремонт» установила батарейные эмульгаторы Панарина на 105 котлах станций Казахстана и России. В том числе на Новосибирской ТЭЦ-4, Томской ГРЭС-2, Улан-Удэнской и Читинской ТЭЦ-1. Про принцип работы этих устройств можно почитать по этой ссылке. 

Главный минус «мокрых» систем – затраты на воду, а также выход не «золы уноса», а шлама, который нельзя просто куда-то слить, а нужно также очищать. Таким станциям нужны отстойники, трубопроводы, дополнительная энергия на перекачку шлама и т.д.

Сухие золоуловители лишены подобных недостатков. Отделение частиц уноса от продуктов сгорания происходит в них за счет инерционных или электростатических сил.

Например, в жалюзийных уловителях твердые и газообразные элементы разделяют за счет резких изменений в направлении газового потока. Для этого и нужны створки жалюзи – частицы золы, двигаясь по инерции, бьются о них и отлетают в сторону, а очищенный газ в конечном итоге уходит в трубу. Жалюзи, кстати, делают из обычного листового металла; такие уловители очень компактны, и стоят недорого. Но они хороши только для первичной, грубой очистки газа от золы и пыли. И используются, в основном, на промышленных котельных, а также на небольших котлах, сжигающих уголь и торф – там, где установка более эффективных золоуловителей невозможна из-за недостатка площади. 

Для более качественной очистки используют циклоны – вертикальные камеры, сделанные в виде перевернутого конуса. Кроме инерционного (как в жалюзийных уловителях), в них возникают еще и центробежные силы. Отброшенная частица сползает по стенке отчасти под действием гравитации, отчасти потому, что на нее начинает давить другая частица, отброшенная выше. Все они собираются в специальном бункере. А очищенные дымовые газы поступают сначала в дымосос, а потом выбрасываются в атмосферу.

Модификаций у циклонов также немало (смотрите, например, по этой ссылке), сильно различаются и степени очистки – от 83 до 99% (зависит от размера частиц пыли и сажи в газе). Для повышения этого показателя циклоны часто объединяют в группы, или батареи – отсюда расхожее в СМИ определение «батарейные циклоны».

Более современный способ очистки – электрофильтры. Это огромные емкости (могут быть горизонтальными или вертикальными, и состоять из одной или нескольких секций), внутри которых расположены два вида электродов – коронирующие и осадительные. Первые нужны для того, чтобы зарядить поток загрязненного газа, а вторые – чтобы за счет электромагнитного эффекта «налепить» заряженные частицы пыли и сажи. Для этого на электроды подается постоянное напряжение: минус и плюс соответственно. Периодически осадительные электроды просто встряхивают, чтобы налипшие на них частицы золы свалились в бункеры (под действием силы тяжести!). 

Эффективность улавливания в электрофильтре зависит от электрических свойств газового потока (его проводимости), прежде всего, от сопротивления частиц золы (школьный курс физики). Чем оно меньше, тем лучше очистка. Поэтому, чтобы улучшить степень улавливания, на станциях используют различные методы – например, увлажняют дымовые газы на входе, добавляют в них присыпки (карбонат натрия, аммиак, триоксид серы), «играют» на перепадах температуры и т.п.

Только электрофильтры способны обеспечить степень очистки газов от летучей золы до 99,8%. При этом расход электроэнергии на очистку 1 тыс. кубометров газа – всего 0,2 кВт. 

Там, где позволяла экономика, в годы новой России такие устройства давно либо полностью заменили, либо дополнили батарейные циклоны и другие системы очистки – и в ответ на возросшие требования к качеству воздуха, и в рамках социальной ответственности бизнеса. За одним из таких ярких проектов, кстати, можно наблюдать в режиме онлайн прямо сегодня: на Красноярской ТЭЦ-1 СГК для строительства электрофильтров снесут три старых трубы (первую взорвали еще год назад), вместо них построят одну новую – высотой 270 метров. А на освободившемся месте установят электрофильтры – только для одного нужна площадка 11 на 15 метров, так что делается все не просто так. Две других ТЭЦ в Красноярские давно оснащены такими системами очистки, только на ТЭЦ-1, самой старой (1942 года запуска) до сих пор использовались исключительно батарейные циклоны.

Если ГЭС управляют водной стихией, то тепловые станции – стихией огня. Огромная температура в топке котла и избыток воздуха обеспечивают практически полное сгорание смолистых компонентов в угле. Крупные ТЭС также в состоянии регулировать объемы своих выбросов и за счет так называемых режимных мероприятий. К примеру, снизить содержание оксидов азота в продуктах сгорания можно за счет уменьшения температуры и избытка воздуха в топке, а также снижения времени пребывания газов в зоне высоких температур.

Напоследок – еще один немаловажный фактор. Дело в том, что «зола уноса» – это готовый мелкодисперсный материал, обладающий хорошими вяжущими свойствами. Он давно интересен стройиндустрии. Новосибирская ТЭЦ-5 СГК много лет продает порядка 40 тыс. тонн такого материала в год производителям сухих строительных смесей и бетона. В «Иркутскэнерго», все станции которой работают на угле и оснащены как циклонами, так и электрофильтрами, переработкой такой золы занимаются с 2005 года. На Омской ТЭЦ-4 (входит в ТГК-11, дочернее предприятие «Интер РАО») первая линия по сбору «золы уноса» была установлена еще в 2008 году и работала на два строительных завода. Так что улавливание выбросов дымовых газов на угольных ТЭС – это не только про экологию, но и про бизнес – перевод отходов в доходы.