Энергетика и экология

ГЛАВА 3. СНИЖЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ И ПОЛУЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ

3.1. Совершенствование технологий производства

Для более объективной и полной оценки отрицательного воздействия предприятий теплоэнергетики на природную среду, живое вещество биосферы и экономику необходимо учитывать все элементы: от добычи сырья, получения продукции (энергии), утилизации отходов до ликвидации самого предприятия. Мероприятия по снижению загрязнений воздушной среды выбросами ТЭС решают в основном двумя способами: использованием технологических методов подавления их образования и установкой пыле-газоочистного оборудования.

В связи с постоянным ростом энергопотребления в ближайшее время человечество ощутит ограниченность ископаемого топлива. Избежать этого можно, по-видимому, двумя способами.

1.Экономия энергии. Применение ресурсосберегающих и энергосберегающих технологий обеспечило значительное сокращение потребления топлива и материалов в развитых странах.

2.Развитие экологически более чистых видов производства энергии.

Экологическое совершенствование технологии производства. Интенсивность образования NOx определяется температурным уровнем и концентрацией кислорода в факеле. Интенсивность образования топливных NOx (за счет наличия азота в топливе) определяется концентрацией кислорода в зоне сгорания летучих компонентов, а температура играет второстепенную роль. Специально организуя топочный процесс, можно изменить количество образующихся оксидов азота при горении. Нашли практическое применение следующие методы.

1. Впрыск влаги или пара в топку – как средство снижения выбросов NOx. Отличается простотой, легкостью регулирования и низкими капитальными затратами (на газомазутных котлах этот метод позволяет снизить выбросы NOx на 20–30 %).

2. Ступенчатая подача топлива. При двухступенчатом сжигании через все горелки подают топливо с недостатком воздуха так, чтобы кислорода не хватало для образования NOx, а в конечную часть факела вводят недостающий для полного сгорания воздух. При трехступенчатом сжигании выше основных пылеугольных горелок в топке устанавливают дополнительные горелки, в которые подается часть топлива с недостатком воздуха, и создается зона с восстановительной средой. Еще выше располагают сопла для ввода третичного воздуха, необходимого для завершения топочного процесса.

3. Снижение избытка воздуха в топке на всех видах топлива приводит к уменьшению выброса NOx. Пределом применимости этого способа служит появление в уходящих газах продуктов неполного сгорания, увеличение содержания горючих в уносе, увеличение интенсивности шлакования поверхностей нагрева и высокотемпературная коррозия экранов.

4.Предварительный подогрев топлива до 700°С, когда выделяется значительная часть летучих веществ, а азотсодержащие компоненты топлива переходят в прочную молекулу N2, позволяет в 2,5 раза снизить выбросы топливных NOx.

5. Технология кипящего слоя. Принцип сжигания твердого топлива в кипящем слое его частиц заключается в следующем. Дробленое топливо и сорбент (известняк СаСО3), связывающий SО2, подаются в топку, и топливо сгорает при 800–900°С в кипящем слое, образованном золой или кварцевым песком (если топливо малозольное). Выносимые из топки частицы золы, сорбента и топлива улавливаются в циклоне и далее многократно циркулируют по контуру «топка – циклон – топка». При низких температурах горения не происходит разложения золы и шлакообразования, а также образования NOx. Подаваемый в кипящий слой известняк разлагается под действием высокой температуры, становится пористым. Проникающий в поры диоксид серы соединяется с СаО с образованием CaSO. Развитие технологий кипящего слоя направлено на обеспечение эффективного сжигания низкокачественного высокозольного топлива в широком диапазоне изменения нагрузок котлов без использования газообразного и жидкого топлива, а также на максимальное сокращение выбросов оксидов серы, азота и летучей золы. Таким способом Япония сумела весьма существенно сократить выбросы от крупных ТЭС, работающих на угле.

6. Золоулавливание на ТЭС. Чтобы предотвратить выброс золы в атмосферу и защитить дымососы котлов от абразивного износа, на электростанциях осуществляется очистка газов в золоуловителях: механических (циклоны, центробежные скрубберы, тканевые фильтры и др.) и электрических (электрофильтры).

7. Методы очистки газовых выбросов ТЭС. Различают мокрые (жидкофазные) и сухие методы очистки газовых выбросов от токсичных компонентов. Как мокрые, так и сухие методы могут быть циклическими и не циклическими, каталитическими и не каталитическими. Мокрые методы очистки связаны с использованием в качестве поглотительного агента жидкости: воды, водных растворов, других веществ или жидкостей. Сухие методы очистки основаны на взаимодействии газа с твердыми веществами-поглотителями (сорбентами).

Мировые затраты на охрану окружающей среды непрерывно растут. Для снижения вредного воздействия выбросов на ТЭС строятся дорогостоящие трубы высотой 200–300 м для рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере, устанавливается все более эффективное и дорогое оборудование по улавливанию и очистке выбросов. Большинство промышленно развитых стран уже подошло к тому рубежу, когда установка такого оборудования становится главным лимитирующим фактором дальнейшего роста производства энергии, поскольку приводит к увеличению себестоимости генерации энергии и превышению издержек над прибылью.

3.2. Некоторые направления развития малоуглеродной энергетики

На данный момент ученые активно ищут способы решения энергетической проблемы. Подавляющее большинство стран пользуются методом поиска новых месторождений полезных ископаемых для своей деятельности.

Второе направление заключается в развитии методов борьбы с загрязнением атмосферы, а именно:

–оптимизация процесса сжигания топлива;

–очистка топлива от элементов, образующих при сжигании загрязняющие вещества;

–очистка дымовых газов от загрязняющих веществ;

–рассеивание загрязнителей в атмосферном воздухе.

Перечисленные методы не позволяют радикально сократить выход токсических веществ, так как эти способы порождают строительство очень дорогих сооружений, а некоторые способы основаны на применении аммиака, который сам вреден.

Некоторые исследования направлены на развитие малоуглеродной и безуглеродной энергетики.

Третье направление представляет собой активное развитие атомной энергетики, и хоть оно является недостаточно экологичным, все равно остается в приоритете у современных ученых. Стоит отметить, что это относится только к новым атомным реакторам.

Большие надежды возлагаются на международный проект, разрабатывающий термоядерную станцию, которая будет вырабатывать энергию за счет синтеза тяжелых изотопов водорода с образованием гелия. Такая реакция не будет давать газообразных и жидких радиоактивных отходов.

Четвертое направление предполагает использование водорода и его соединений для заправки производственных машин. Тип двигателя, поддерживающий водород и его соединения – абсолютно новый и только начинает набирать популярность. Также ученые разрабатывают новый электрохимический генератор, который также будет работать на водородном топливе. Этот способ должен работать во много десятков раз мощнее, чем использование угля и газа в качестве топлива.

Пятым направлением можно считать создание и использование турбогенератора, который работает при помощи криогена. Ротор должен охлаждаться гелием, благодаря чему достигается очень высокая проводимость.

Шестое направление, пожалуй, самое экологичное и безопасное, оно предусматривает прямое преобразование тепловой энергии в энергетическую. Данный способ максимально безопасен для людей и животных, а также всей окружающей среды.

Конечно, все способы решения энергетической проблемы использоваться не будут, поскольку среди них есть как более, так и менее успешные. Ученые считают, что в ближайшее время энергетика очень сильно изменится и человечество начнет применять наиболее безопасные и эффективные способы добычи топлива, с условием, что месторождения не так колоссально страдают. На данный момент больше всего упор идет на использование природной энергии, а именно:

–воды;

–ветра;

–солнца;

–геотермальной энергии.

Таким образом удастся сохранить огромное количество полезных ископаемых по всей планете. Также очень много надежд возлагается на биотопливо, так как оно способно давать намного больше энергии, чем нефть или уголь. В любом случае, некоторые источники полезных ископаемых будут дальше истощаться, так как не все корпорации используют новые технологии. Большинство развивающихся стран Европы внедряют и используют новые технологии, в то время как Российская Федерация, Украина, Беларусь, Индия, Китай и другие страны все еще не могут полностью перейти к более современным технологиям. Именно поэтому здесь энергетическая проблема распространяется более обширно. На сегодняшний день эти государства не могут снизить потребление энергии и топлива, поэтому затраты постоянно нестабильны. Также они постоянно развивают металлургическую промышленность, что не только негативно влияет на экологию, но и довольно сильно истощает запасы топлива, поскольку оборудование не экономичное.

3.2.1. Улавливание и хранение

углерода

Электростанции на угле производят около трети всех мировых выбросов двуокиси углерода, а к 2035 г., согласно прогнозу Международного энергетического агентства, их доля может увеличиться до 45%. Несмотря на напряженные усилия по поиску и разработке возобновляемых источников энергии, пройдет немало времени, прежде чем такие технологии смогут составить серьезную конкуренцию углю и другим ископаемым видам топлива.

Разработка более экологически чистых способов сжигания угля приобрела чрезвычайную важность. Все серьезные прогнозы показывают, что уголь, нефть и газ еще многие годы будут оставаться важнейшими энергоносителями. Их сжигание сопровождается образованием парниковых газов. Проблема сокращения выбросов этих газов в атмосферу одновременно с обеспечением мировой экономики достаточным количеством энергии уже сейчас довольно остра. Для уменьшения выбросов требуется ряд мер: повышение энергоэффективности, улавливание и хранение углерода (УХУ), переход на новые виды топлива (например, от угля к природному газу), развитие ядерной энергетики, использование возобновляемых источников энергии.

С учетом того, что в обозримом будущем мировая экономика продолжит зависеть от ископаемых видов топлива, важнейшей из перечисленных мер становится широкомасштабное внедрение технологии УХУ. Она заключается в улавливании углекислого газа и сохранении его в глубинных геологических формациях, откуда он не сможет попасть в атмосферу. Новый пакет документов по изменению климата, принятый Евросоюзом, включает директиву о хранении углекислого газа, а также поправки в систему торговли квотами на выбросы в рамках ЕС, призванные стимулировать внедрение УХУ. Всесторонняя поддержка этой технологии входит в число мер по сокращению углеродных выбросов, принимаемых в США, Канаде, Норвегии, Великобритании и Австралии.

На пути к превращению технологии улавливания и хранения углеродов в один из действенных механизмов смягчения влияния на климат стоят четыре препятствия:

1.Стоимость технологии улавливания. В настоящее время она превышает расходы на оплату выбросов углекислого газа.

2.Отсутствие серьезной законодательной базы.

3.Недостаточная осведомленность общества.

4.Нерешенные вопросы по инфраструктуре УХУ.

Для реализации всего потенциала УХУ необходимо, чтобы внедрение и использование этой технологии было экономически целесообразным. Высокие расходы на улавливание углекислого газа, образующегося в процессе сжигания топлива, объясняются необходимостью сбора и хранения больших объемов топочного газа и его по следующего нагревания для выделения СО2. При этом общепринятых расценок на углеродные выбросы не существует. В развивающихся странах, где потребность в энергии возрастает очень быстро, распространение технологии УХУ невозможно без финансовой и технической поддержки извне.

На сегодняшний день не реализовано ни одного крупномасштабного проекта по выделению углекислого газа на электростанциях, промышленных предприятиях. Таким образом, нет опыта определения размеров затрат.

На плавильном заводе в Монгстаде (Норвегия) фирма Statoil планирует установить систему улавливания углекислого газа на станции по комбинированному производству электроэнергии и тепла, а также на различных точках выброса топочных газов из плавильного цеха. Для этих целей Statoil при участии норвежских властей и промышленных партнеров создала в Монгстаде Европейский испытательный центр по углекислому газу. В этом центре будут опробованы две технологии улавливания, рассмотрены возможности повышения их производительности и снижения стоимости.

Для полномасштабного внедрения УХУ необходимо наличие инфраструктуры, в частности, сети путей сообщения и мест хранения. При наличии множественных источников уловленного углекислого газа необходимо предусмотреть соответствующую систему сбора для последующей транспортировки к местам хранения. Ее разработка и создание должны проводиться одновременно с крупномасштабным строительством очистных установок. Существует необходимость в многочисленных местах хранения.

Фирма Statoil длительное время занимается вопросами сохранения углекислого газа в геологических породах в рамках разработки месторождения Sleipner в Северном море. В данном случае попаданию углекислого газа в атмосферу препятствует 800-метровая толща скальной породы над местом хранения. К концу 2008 г. в этом хранилище находилось 11 млн т углекислого газа. Улавливание и хранение СО2 важно для снижения выбрасываемых в атмосферу газов. Уже известны технологии, необходимые для отделения СО2 от других газов и его улавливания. В дальнейшем необходимо развитие и применение этих технологий в широких масштабах.

Процесс улавливания и хранения СО2 выполняется в очень небольших масштабах, однако может значительно повлиять на объем диоксида углерода в атмосфере. Процесс состоит из двух фаз: «захватить» СО2, не дав ему улетучиться, и хранить газ безопасно и долго. Идея выделения СО2 из выбросов, чтобы уменьшить объем газа в атмосфере, принципиально нова. Однако используемая для этого технология разрабатывалась совсем для других целей.

Лучшее место для улавливания СО2 – крупные источники загрязнений. Электростанции являются источником трети общемировых выбросов СО2. Углекислый газ также является побочным продуктом при производстве железа, стали и цемента, выделяется из природного газа перед использованием последнего в качестве топлива.

Основное органическое топливо для электростанций – природный газ и уголь – сжигается при наличии воздуха. Когда сжигается природный газ, то содержащийся в метане водород связывается с кислородом, образуя воду. Но используемый в процессе горения воздух содержит преимущественно азот, который не участвует в процессе горения. Чтобы эффективно хранить СО2, его прежде всего необходимо отделить от других газов. Для этого есть три стратегии:

1. Отделить СО2 после сжигания.

2. Убрать углерод из топлива до сжигания, таким образом в горении будет участвовать только водород, а образовываться вода.

3. Сжигать органическое топливо при наличии не воздуха, а кислорода, с образованием концентрированного СО2. Для растворения СО2 перед выходом в атмосферу могут быть использованы химические процессы.

Сейчас применяются так называемые амины. Они поглощают СО2, образуя химические связи, особенно при высоком давлении и низкой температуре. Этот процесс называется «мокрой очисткой газа». Результат – химический раствор, который затем нагревается при пониженном давлении и выделяет концентрированный СО2.

Без химического связывания СО2 растворяют другие вещества. Данный процесс физический, в нем СО2 растворяется под давлением, а затем вымывается при помощи растворителя при пониженном давлении. Растворитель может использоваться повторно.

Другой способ улавливания СО2 – охлаждать дымовые газы до точки сжижения СО2. Такой процесс требует существенных затрат энергии на охлаждение. Преимущество в том, что жидкости легко транспортировать на грузовом автомобиле или корабле. Можно также отделить газы при помощи тонких пленок – мембран. Часть газов проходит через мембрану быстрее, чем другие. Это отделяет одни газы от других.

Топливо в виде природного газа – метан (СН4), при сгорании которого образуются СО2 и H2O. Если мы удалим углерод перед сгоранием, то останется только водород, при сжигании которого образуется чистая вода. Чтобы осуществить это, топливо необходимо соединить с кислородом или паром для образования монооксида углерода (СО) и водорода. После этого СО реагирует с паром, образуя СО2 и водород. Наконец, СО2 выделяется, а водород используется в качестве топлива для газовой турбины.

Сжигание при наличии кислорода. Воздух на 78% состоит из азота. В процессе горения количество азота практически не меняется – это основной газ, разбавляющий СО2 в смеси. Топливо сжигается в чистом кислороде, а не в воздухе. Задача состоит в том, как отделить кислород от остатков воздуха, состоящего по большей части из азота. Воздух можно подогреть – так кислород разжижается. Мембраны, пропускающие кислород и азот с разной скоростью, отвечают за разделение. Есть также вещества, которые поглощают азот, отделяя его от кислорода. Их можно восстановить, удалив из них азот, и использовать вновь.

Технологии хранения. Как только концентрированный СО2 собран, следующим шагом является хранение газа. Существует несколько вариантов хранения.

Геологические полости. Долгосрочное хранение СО2 в геологических полостях – наиболее многообещающий в плане широкого распространения метод. Некоторые проекты уже реализуются. Чтобы уменьшить выбросы парниковых газов и остановить глобальное потепление, хранимый СО2 необходимо уберегать от попадания в атмосферу сотни тысяч лет. Нефтяные и газовые месторождения, глубокие водно-солевые слои и угольные пласты существуют миллионы лет и при этом претерпевают не значительные изменения. Очевидно, что при правильном подходе использование этих месторождений дает возможность длительно хранить СО2.

Многие технологии, применяемые для хранения СО2 на месторождениях, уже используются в процессе повышения нефтеотдачи скважин. Один из вариантов – закачивать в месторождения СО2. Это увеличивает давление, и нефть легче поднимается на поверхность. Углекислый газ растворяет нефть, делая ее менее вязкой и более текучей. Газ увеличивается в объеме, возрастает давление. В месторождение СО2 закачивается через специальные скважины-инъекции. Это подталкивает нефть к добывающей скважине, где она и поднимается на поверхность. При повышении нефтеотдачи в месторождение через инъекционную скважину закачивается СО2, где он сталкивается с нефтью, образуя зону смешивания. Давление СО2 и расширяющейся нефти выталкивает углеводороды вверх к скважине, где они попадают на поверхность. После этого СО2 отделяется от нефти и может быть снова подан в скважину. Побочный эффект повышения нефтеотдачи в том, что СО2, используемый для выталкивания нефти из месторождения, теперь изолируется. Использование инъекций СО2 для повышения нефтеотдачи применяется на многих скважинах (например, на месторождении Вейберн в Канаде).

Улавливаемый из выбросов или удаляемый из воздуха углекислый газ может в течение долгого времени храниться в растениях, почве и подземных коллекторах, инжектироваться глубоко в океаны или преобразовываться в очень твердые материалы. Сжиженный CO2 может использоваться для улучшения извлечения нефти из нефтяных месторождений и метана из непригодных для промышленной разработки угольных пластов. После этого отработанный CO2 может безопасно и постоянно храниться в недрах земли.

Водоносные слои. Существует много герметичных геологических ниш под землей, в которых никогда не было нефти или газа. Их поры наполнены водой. Такие образования называются водоносными слоями. Эти места хорошо подходят для хранения СО2 глубоко под землей. Они наполнены соленой водой, поэтому в качестве источника пресной питьевой воды непригодны. СО2 будет частично растворяться в воде. В некоторых видах пород он будет реагировать с минералами, образуя стабильные карбонатные отложения, что позволит постоянно и надолго удержать СО2. Перед хранением необходимо провести те же геологические исследования, как для нефтяных и газовых месторождений, подтверждающие герметичность зоны. Первая в мире программа по инъекциям СО2 с целью сохранения климата проводилась в прибрежной зоне Норвегии. Газ закачивался в водоносный слой Северного моря. Это происходило на месторождении Слейпнер.

Угольные пласты. Еще один источник хранения СО2 – угольные залежи, находящиеся на недостижимой для добычи глубине. Уголь по большей части состоит из углерода. Он будет поглощать СО2 и связываться с ним навсегда. Обычно угольные залежи содержат метан. Когда в шахту закачивается СО2, уголь поглощает его, выделяя метан. Улавливание и хранение углерода представляет собой совокупность технологий по улавливанию, сжатию и хранению двуокиси углерода с целью уменьшения описанной проблемы. За последние пять лет было построено несколько небольших предприятий для проверки технологий УХУ. Два крупнейших мировых потребителя угля в энергетической отрасли – США и Китай – стремятся к мировому лидерству в УХУ. Две наиболее распространенные технологии улавливания двуокиси углерода – улавливание до сжигания и улавливание после него. Во втором случае CO2 удаляется после сжигания угля. Данная технология разработана для традиционных электростанций, где уголь используется в качестве твердого топлива для производства тепловой и электрической энергии.

Процесс улавливания и хранения углерода состоит из множества этапов охлаждения, нагрева, конденсации и повторного испарения, вследствие чего затраты на энергию составляют значительную часть стоимости процесса. Эффективные теплообменники являются ключевым фактором для снижения стоимости УХУ, поскольку позволяют увеличить рентабельность процесса.

Правительство США заявляет о крупнейших в мире инвестициях в технологии УХУ с целью создания многочисленных опытных проектов. Министерство энергетики страны использует около 4 млрд долл. федеральных средств, а частные инвестиции превышают 7 млрд долл.

3.2.2. Интегрированный газифицированный комбинированный

цикл

В настоящее время доля генерации электроэнергии в ежегодных, связанных с энергетикой, глобальных выбросах СО2 составляет 40%. Около 70% всей электроэнергии в мире производится на основе ископаемого топлива. Спрос на электроэнергию опережает спрос на другие ее виды, в связи с чем обезуглероживание производства электроэнергии становится важнейшей задачей. В странах Европы 60% электроэнергии вырабатывается на основе ископаемых видов топлива, однако по разным странам этот показатель колеблется от 0 до 100% и очень сильно зависит от того, какое топливо используется: уголь, природный газ или нефть. Обеспеченность региона значительными природными ресурсами угля и природного газа создает благоприятные условия для централизованного производства электроэнергии, но в некоторых частях региона увеличивается генерация на основе возобновляемых и других распределенных источников энергии.

Как ожидается, ископаемое топливо сохранит свое значение в качестве экономичного источника топлива для производства электроэнергии на глобальном и региональных уровнях в среднесрочной перспективе. Однако развитие электроэнергетических систем, особенно внедрение технологий хранения энергии и «умных» электросетей, создает неопределенность относительно роли ископаемого сырья в будущем.