Московский государственный открытый университет Научно-образовательный материал

Вид материала

Документы

Содержание 1.1. Экологически безопасная и безотходная технология переработки промышленных отходов тепловых электростанций 1.2 Современные тенденции развития систем газификации угля 1.3 Сжигание в кипящем слое – перспективная технология для низкосортных технологий К основным характеристикам топок ЦКС и других указанных технологий относятся Технология сжигания в низкотемпературном кипящем слое (НТКС) Технология ФКС близка по форсировке воздухораспределительной решетки к технологии циркулирующего КС, но имеет преимущества Процесс сжигания топлива в ВЦКС Процесс сжигания биотоплив в котлах с кипящим слоем. 1.4 Экологическая безопасность промышленных отходов тепловых электростанций Элементы-примеси и экологические проблемы угольной энергетики. Оксиды Si и металлов, входящие в химический состав золоотходов и нового минерального наполнителя на их основе Промышленные наполнители 1.5 Эколого-экономическая проблема переработки и утилизации промышленных отходов тепловых электростанций Области применения золоотходов от сжигания твердого топлива на ТЭС Годовой экономический эффект, млн.руб. Эластомерные композиционные материалы. Затраты на золоудаление. Экономический анализ методов управления окружающей среды Список литературы

Подобный материал:

• Московский государственный открытый университет Научно-образовательный материал, 695.01kb.
• Министерство образования и науки РФ московский государственный открытый университет, 1119.23kb.
• Министерство образования и науки РФ московский государственный открытый университет, 705.26kb.
• Ассоциация Московских Вузов» федеральное государственное бюджетное образовательное, 96.41kb.
• Дорожный Государственный Технический Университет (мади) Научно-образовательный материал, 127.07kb.
• Многофункциональный нанотехнологический комплекс «Нанофаб» нтк -5 Научно-образовательный, 123.37kb.
• «Московский государственный медико-стоматологический университет Росздрава», 320.44kb.
• Гоу впо «Московский государственный открытый университет», 633.31kb.
• Гоу впо «Московский государственный открытый университет», 281.64kb.
• Гоу впо «Московский государственный открытый университет», 358.86kb.

Московский государственный открытый университет


Научно-образовательный материал


«Экологически безопасная и безотходная технология переработки промышленных отходов тепловых электростанций»


Состав научно-образовательного коллектива:


1. Шевердяев О.Н., проф., д.т.н. – руководитель коллектива

2. Крынкина В.Н., доц., к.т.н.
   
3. Дроздова Т.Е., проф., к.б.н.
   

1.	Научно-образовательный материал «Экологически безопасная и безотходная технология переработки промышленных отходов тепловых электростанций»		Стр.
	Введение		3
	1.1	Экологически безопасная и безотходная технология переработки промышленных отходов тепловых электростанций	4
	1.2	Современные тенденции развития систем газификации угля	8
	1.3	Сжигание в кипящем слое – перспективная технология для низкосортных топлив	13
	1.4	Экологическая безопасность промышленных отходов тепловых электростанций	22
	1.5	Эколого-экономическая проблема переработки и утилизации промышленных отходов тепловых электростанций	30
	1.6	Экономическая эффективность природоохранных мероприятий на тепловых электростанциях	39
	1.7	Экономический анализ управления окружающей среды	48
	Заключение		49
	Список литературы		50

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ


Важной проблемой является переработка, использование и сбыт промышленных и бытовых отходов. Большое народно- хозяйственное значение имеет переработка и утилизация промышленных отходов угольных ТЭС, которые благодаря их качеству востребованы в разных отраслях, в том числе на всех рынках бетона – магистрали, аэропорты, строительство зданий, мостов, туннелей и т.д. При этом экономятся природные ресурсы – гравий, песок, природный гипс и др. Промышленные отходы угольных ТЭС появляются в результате превращения угля в электричество. Минеральные компоненты угля после его сжигания являются сырьем, а состав и количество сырья зависит от географии угольных бассейнов, содержания серы, технологии сжигания и т.д.

Маркетинг промышленных отходов угольных ТЭС заключается в скоординированной деятельности по возвращению минеральных продуктов угольных ТЭС в экономический цикл. Утилизация минеральных компонентов угля в виде высококачественных продуктов соответствует современным требованиям защиты окружающей среды.

Однако до сих пор в России существует практика переноса в тарифы эксплуатационных расходов по содержанию золоотходов, плата за хранение золоотходов, инвестиции на строительство и реконструкции золоотвалов. Поэтому назрела необходимость в создании в РФ ассоциации по использованию промышленных золоотходов угольных ТЭС, которая помимо научно – технической и консалтинговой помощи могла бы способствовать предприятиям малого и среднего бизнеса и координировать их деятельность.

Неизбежное сокращение природных ресурсов ограничивает использование и увеличивает важность рециклинга продуктов. Минеральные продукты, производимые при сжигании угля, могут превращаться в ценные товары. Создается взаимосвязь между производством энергии и тепла и промышленными отходами, превращенными в новый продукт.

Задача промышленно – экологических исследований состоит в интеграции методов экологического мониторинга и химии окружающей среды, создании «более чистого производства», включающего, главным образом, технологические аспекты, предотвращении загрязнения и рационального использования ресурсов, чтобы в конечном итоге минимизировать отрицательное воздействие промышленного производства на окружающую среду, а так же в разработке технологического процесса превращения утилизируемых промышленных отходов угольных ТЭС в новый радиационнобезопасный и экономичный минеральный продукт для использования в композиционных материалах разного назначения.


1.1. Экологически безопасная и безотходная технология переработки промышленных отходов тепловых электростанций


Технологии использования золоотходов. Известны следующие способы использования золоотходов. Предложена технология получения состава для бетона: активация воды малыми добавками с механической активацией цементно – зольного вяжущего компонента бетонной смеси в скоростном активаторе и последующем смешении активированного вяжущего компонента с заполнителями. Технология может быть использована при производстве сборных железобетонных изделий из легкого и тяжелого бетона и возведения монолитных конструкций.

Разработана технология изготовления из золошлаковых отходов ТЭС конструкционных жаростойких бетонов с температурой эксплуатации 900 – 1100⁰С, керамических легковесных и огнеупорных материалов, работающих при 1100⁰С.

Известен способ получения легкого заполнителя из летучей золы и осадка сточных вод сообщается в работе. Золу и осадок смешивают и таблетируют – формируются таблетки диаметром до 20 мм с применением связующего или без него. После этого таблетки подвергаются сушке; подаются далее во вращающуюся печь, где таблетки затвердевают, происходят кальцинирование, различные стадии пиролиза и спекание. Из печи выходит гранулированный материал с низкой плотностью, твердый и пористый, который направляется в охладитель.

Отработана технология получения пеносиликатов из золошлаковых отходов.

Предложено устройство для переработки золошлаков. Способ включает дожигание шлака в плавильной печи, в которую жидкий шлак стекает через шлакоудалитель.

Опробована технология изготовления известково – зольного вяжущего, безобжигового зольного гравия и бетона на его основе. Безобжиговый зольный гравий был применен для изготовления золобетона на известково – зольном вяжущем. Золопотребление производства мощностью 100 тыс м³/год бетона составляет 60 – 80 тыс.т.

Получены минеральные волокна из расплава золоотходов (при плавлении брикета золоотходов низкотемпературной плазмой).

Разработана технология по производству редких и редкоземельных металлов из золошлаковых отходов ТЭС. Процесс является безотходным и экологически чистым с получением цветных редкоземельных металлов и полной утилизацией золошлаковых отходов.

Полупромышленные испытания показали возможность извлечения мелкого золота от золошлаковых отвалов ТЭС методом флотации. Содержание золота составило до 50 г/т .

Предложена технология, связывающая свободный оксид Са (в золах бурых углей) и позволяющая выделять оксиды Fe в виде металлического сплава. Разработана методика восстановления железа из твердых оксидов в золошлаковых отходах путем насыщения углеродом.

Анализ результатов исследований по изготовлению стеклокристаллических изделий на основе золошлаковых отходов ТЭС подтверждает техническую возможность и экономическую целесообразность создания таких производств при ТЭС.

Приведены результаты технико-экономического сравнения системы гидрозолоудаления сухого (с грануляцией) и двух вариантов полумокрого способа удаления основных золошлаков для ГРЭС мощностью 6400 МВт на березовском угле Канско-Ачинского бассейна с выходом золошлаков 1200 тыс.т в год, с отпуском потребителям 500 тыс. т сухой золы в год, а также результаты сопоставления экономических показателей для гидравлического и полусухого удаления кислых золошлаков.

С начала 90-х годов идет процесс перехода угольных тепловых электростанций с факельным сжиганием топлива на угли с лучшими топливными и экологическими характеристиками. Угли Экибастузского и Подмосковного бассейнов вытесняются углями преимущественно Канско-Ачинского и Кузнецкого бассейнов. Если зольность подмосковных и экибастузских углей достигает 50%, то зольность канско-ачинского угля, как правило не превышает 10%. Для новых ТЭС и для вновь проектируемых впервую очередь предусматривается использование кузнецских углей. Столь значительное снижение зольности сжигаемых углей влечет за собой соответствующее уменьшение необходимой емкости золошлакоотвалов, а, следовательно, и количество золошлаков для их строительства.

Основное направление применения летучей золы ТЭС а строительном комплексе за рубежом:

• строительство платин гидротехнических сооружений и сооружение морских дамб;
  
• строительство автомобильных дорог;
  
• строительство взлетно-посадочных полос аэродромов;
  
• производство цемента, кирпича, битонов, облицовочных материалов.
  

Разработка технологического процесса переработки золоотходов.

Разработан технологический процесс превращения утилизируемых исходных золоотходов от сжигания твердого топлива на ТЭС в новый радиационнобезопасный и экономичный минеральный продукт для композиционных материалов и изделий, использующихся в разных отраслях промышленности. Технологический процесс превращения утилизируемых золоотходов в новый минеральный наполнитель включает неэнергоемкие и технологически простые стадии: золосъем, просеивание, модифицирование, контроль продукции, упаковку. Для использования нового минерального наполнителя в цветных материалах и изделиях добавляется стадия термообработки (до просеивания). Данный технологический процесс является безотходным, поскольку образующиеся при просеивании отходы, составляющие  3% масс., можно использовать в качестве минерального наполнителя при производстве различных неответственных изделий.

Полученный новый минеральный наполнитель является экологически безопасным, радиационнобезопасным, экономичным. Экологическая безопасность подтверждается разрешением центра госсанэпиднадзора в г. Москве использовать золу, образующуюся от сжигания Кузнецких углей, при изготовлении строительных материалов. Радиационная безопасность нового минерального наполнителя подтверждается заключением по радиационной безопасности золоотходов от сжигания Кузнецких углей Мос НПО «Радон». Исходя из химического состава, значений ПДК и класса опасности промышленных минеральных наполнителей можно предположить: ПДК нового минерального наполнителя – 4 мг/м³, класс опасности – 4.

Учитывая химический состав, новый минеральный наполнитель пожаро- и взрывобезопасен.

Экономичность нового минерального наполнителя обусловлена низкой себестоимостью сырья и значительными объемами использования в композиционных материалах.

Необходимо отметить, что наиболее перспективными являются те технологические процессы, которые могут войти в единый технологический процесс, завершая технологический цикл на ТЭС – сжигания органической части твердого топлива и производство электрической и тепловой энергии.

1.2 Современные тенденции развития систем газификации угля


Фундаментальным изменения, происходящие в энергетической политике, непрекращающийся на мировом рынке рост цен на нефть и природный газ диктуют необходимость применения новых технологий использования твердых топлив. Одним из перспективных направлений является газификация твердого топлива с получением в качестве конечного продукта синтез-газа. Мировые запасы твердого топлива существенны, а его цена, хотя и растет, но в обозримом будущем останется предпочтительнее цен на нефть и природный газ. При газификации твердого топлива могут быть получены газы разнообразного заданного состава с различной теплотой сгорания, пригодные для широкого использования в качестве топлива в промышленности и быту, а также как сырье для химической промышленности.

Целесообразность развития газификации твердого топлива определяется также и тем, что применение газа вместо твердого топлива интенсифицирует производственные процессы, повышает производительность и культуру труда, улучшает санитарно-гигиенические условия на предприятиях, обеспечивает резкое сокращение загрязнения окружающей среды.

Таким образом, есть несколько основных причин, обусловливающих развитию технологий газификации твердого топлива:

• дефицит традиционных углеводородов (природного газа и нефти) и высокая цена на них;
  
• высокая плата за эмиссию диоксида углерода;
  
• возможность производства высококачественного синтетического жидкого топлива;
  
• возможность производства «чистого» топлива (водорода), пригодного к использованию в энергетике и на транспорте;
  
• возможность использования топлив, ранее считавшихся непригодными для энергетики («тяжелые» нефтяные остатки, битуминозные и нефтенасыщенные пески, сланцы, биомасса);
  
• повышение энергетической безопасности в случае перебоев с поставками энергоносителей (в том числе из-за террористических актов на магистральных газопроводах природного газа и нефтепроводах.)
  

В связи с этим инженерные разработки высокоэффективных путей производства «чистых» топлив сосредоточивают на новых технологических процессах, в частности, на новейших процессах газификации угля. Различают процессы газификации крупнокускового (размер частиц – более10мм), мелкозернистого (от 1 до 10мм) и пылевидного (<1мм) топлива. В соответствие с этой градацией получили развитие три типа газогенераторов: со стационарным слоем, с кипящим слоем и в потоке пылевидного топлива. В качестве окислителя используется как воздух, так и кислород.

Развитые страны (США, Германия, Нидерланды, Австралия, Италия, Исландия, Великобритания, КНР) технологию газификации твердых топлив освоили в промышленном масштабе.

Наибольшее промышленное применение получил процесс Лурги с газификацией угля в стационарном слое. Так, в ЮАР эксплуатировалось 13 газогенераторов производительностью по углю до 20т/ч, сооружен завод на 36 газогенераторов производительностью до 30т/ч. В Чехии работало 56 газогенераторов производительностью до 10т/ч для бурного угля. Аналогичный процесс был реализован в газогенераторах народного предприятия «Шварце Пумпе» (Германия). В газогенераторах Рур – 1000 этот процесс модернизирован. Повышение давления в данной установке позволило в несколько раз повысить интенсивность процесса газификации. При этом наблюдаются уменьшение выхода побочных продуктов (в том числе смол) и увеличение доли метана в газе.

При газификации древесной щепы влажностью 43% получили генераторный газ с теплотой сгорания 1290 ккал/м³ следующего состава: CO – 29%, H₂ – 15.4, CH₄ – 1.6, CO₂ – 6.8, N₂ - 47.2%.Содержание смол не превышало 40г/м3, водяного пара – 480г/м³.

Одним из перспективных направлений получения искусственных газов является газификация в кипящем слое в газогенераторах Винклера. Выполнялись многочисленные работы как при атмосферном, так при повышенном давлении.

Топливо в него подается шнеками. Газификация может проводиться на смеси воздуха и пара или кислорода и пара. Температура процесса – 950 ⁰С, высота слоя -1,5м. Запыленный низкокалорийный газ после реактора проходит через систему грубой очистки (выносной футерованный изнутри циклон) и подается в котел-утилизатор, где охлаждается до 200-250⁰С. Затем газ направляется через гидравлический затвор и «мокрые» скрубберы.

В настоящее время в мире широко ведутся работы по газификации угольной пыли. По методы Копперса-Тотцека угольная пыль и парокислородное дутье подаются через горелки в газогенератор с огнеупорной футеровкой внутри. Зола виде жидкого шлака непрерывно стекает в водяную ванну. Температура в ядре факела - 2000⁰С,средняя температура процесса – 1500⁰. Полученный газ используется в основном для производства аммиака. Процесс хорошо регулируется, отсутствуют побочные продукты (смолы). Модернизацией метода Копперса-Тотцека является схема Шелл, где газификация осуществляется при давлении 2 МПа.

В США и Германии проводятся работы по созданию газогенераторов, работающих по методу Тексако – еще одной модификации процесса Копперса-Тотцека. В реакционной футерованной камере газифицируется водоугольная суспензии при давлении 2-4МПа. Продукты газификации охлаждаются в радиационном охладителе и конвективном котле-утилизаторе.

Заслуживает внимание история создания комбинированных установок с внутрицикловой газификацией (КУВГ) угля. Первая в мире энергетическая ПГУ с внутрицикловой газификацией угля с мощностью 170МВт была реализована в Германии с применением газогенератор Лурги. Однако малая интенсивность процесса газификации в стационарном слое - 2000÷2500кг/(м²·ч) при давлении 2,5МПа, наличие смолистых веществ в газе, сложность конструкции, обусловленная применением вращающихся устройств в объеме слоя, не позволяют эффективно использовать этот тип газогенератора в энергетике.

Более эффективным для энергетики представляются газогенераторы пылевидного топлива. После очистки синтез-газ имел следующий состав, %: CO – 65, H₂ – 30, H₂O – 1, (N₂+Ar) – 3.

Анализ сложившейся ситуации в области работ по газификации и существующих схем газификации топлив, пригодных для использования в энергетическом и технологическом циклах, позволяет сделать следующие выводы:

1. Газогенераторные установки применяются в большинстве промышленно развитых стран: США, Англии, Германии, Италии, Китае, Испании и др. Газификация твердого топлива совместно с системами очистки от CO₂, конверсия CO с получением товарного водорода H₂, пригодного для энергетики и транспорта, а также возможность производства метанола (жидкого топлива) свидетельствуют о громадных перспективах этой технологии, причем все остальные составляющие ее процессы промышленно отработаны. Бурное развитие этой технологии можно ожидать при ценах на нефть более 150 долл за 1 баррель и плате за превышение квот на CO₂ выше 20долл./т. При этом решающих фактором для эффективного применения в энергетике внутрицикловой газификации являются капитальные затраты на 1кВт мощности.
   
2. Для производства синтез-газа, пригодного к сжиганию в энергетических установках, применяется технология газификации в циркулирующем кипящем слое под давлением – высокотемпературный процесс Винклера. По такой технологии установки работают в Германии и Чехии. Конечный продукт установок этого типа, работающих в Германии, - метанол. НПО ЦКТИ совместно с ПО «Красный котельщик», Институтом горючих (Москва) и Институтом тепломассообмена (Минск) для парогазового блока 250 МВт с внутрицикловой газификацией угля разработан газогенератор производительностью по углю 50т/ч (диаметр – 3,8м, высота -30м), использующий технологию кипящего слоя при давлении 20кгс/см 2. На построенной в НПО ЦКТИ демонстрационный установке производительностью 1,5т/ч отработаны. Регламенты газификации кузнецского и экибастузского каменных углей, ирша-бородинского и подмосковного бурых углей, усовершенствована конструкция ряда элементов.
   
3. Газогенераторы Лурги с вращающейся колосниковой решеткой, работающие под давлением до 20кгс/см², с обогащенным кислородом паровоздушным дутьем широко применяются в Германии и Чехии. Следует, однако, отметить, что газогенераторы этого типа морально устарели.
   
4. Газогенераторы горнового типа, работающие с «жидким» шлакоудалением, на обогащенном кислородом воздухе, создаются фирмой «Мицубиши». Аналогичный реактор был сконструирован Всероссийским теплотехническим институтом. Он работает в составе газификационной установки на Зуевской экспериментальной ТЭЦ, где ведутся работы по совершенствованию процесса.
   
5. В настоящее время в мировом сообществе обработано несколько успешных в промышленном масштабе технологий газификации твердого топлива, включая уголь, нефтяной кокс, насыщенные нефтью пески, биомассу и др. При этом используются также отработанные установки для получения кислорода, системы очистки генераторного газа от твердых и смолистых веществ, от двуокиси углерода CO₂ и сероводорода H₂S. Наиболее распространены промышленные установки, использующие технологии Лурги, Винклера (HNW), газогенераторы с жидким шлакоудалением (горнового типа), газогенераторы Тексако и Шелл мелкодисперсного пылевидного топлива.
   
6. Среди распространенных и удачных следует отметить систему газификации по методу Техасо. Уголь подается в виде водоугольной суспензии. Процесс протекает при высоком давлении на обогащенном кислородном дутье. Теплота сгорания полученного генераторного газа – 2300-2500 ккал/м³ при температуре в реакционной зоне 1500-1600⁰С. Технология освоена в промышленном объеме.
   
7. Наиболее предпочтительна отвечающая высоким экономическим и экологическим требованиям технология Шелл, применяемая с 1956 г., с традиционной для пылеугольных котлов системой размола, позволяющей использовать смеси угля и биомассы. Всего в мире действуют 85 газогенераторных установок Шелл.
   
8. Для замещения в топливном балансе металлургических комбинатов жидкого топлива или природного газа местными энергоресурсами (торф, бурый уголь, сланцы, биомасса) возможно использование относительно простых газогенераторов, работающих при давлениях, близких к атмосферному, мощностью 1-15 МВт.
   
9. Сегодня назрела необходимость возобновления на новом техническом уровне работ по созданию парогазовой энергетической установки с внутрицикловой газификацией угля мощностью 250-300 МВт модуля 1100МВт с минимальными выбросами вредных веществ, включая «парниковые» газы (CO₂), с возможной выработкой товарных водорода, азота, серы, метанола.