ТЭП помещается в топку таким образом, чтобы эмиттер разогревался факелом горящего топлива. Коллектор, отделенный от эмиттера вакуумным зазором, через специальную прокладку отдает тепло трубам, в которых генерируется пар. Он используется в стандартной паротурбинной установке. КПД такой системы может достигать 45–47 процентов. Однако технико-экономические трудности остаются непреодолимыми. Пока не создано даже опытно-промышленной станции. Очень мала в ТЭПах плотность съема электроэнергии — не больше 5 киловатт с квадратного метра. Другими словами, для мощности 200 мегаватт потребовалось бы 40 тысяч квадратных метров площади эмиттеров! Кроме того, мало напряжение, создаваемое на одном модуле ТЭП, и их нужно соединять последовательно в длинные цепочки. Усложняются и инверторы — устройства для преобразования постоянного тока в переменный.
Хорошо бы научиться интенсифицировать горение угля в топках угольных станций. Например, в Ленинградском Центральном котлотурбинном институте (ЦКТИ) и в Ленинградском политехническом институте разработаны вихревые топки и топки с кипящим слоем. Благодаря более эффективному горению снижается расход топлива и выбросы вредных веществ. Если применить вихревую топку на Березовской ГРЭС, потребляющей канско-ачинские угли, то высоту главного корпуса удалось бы снизить со 130 метров до 80 и резко сократить расход металла на котлы, весящие сейчас по 30 тысяч тонн. Применяя же котлы с кипящим слоем, можно добиться экономии металла на 30–50 процентов, а объем уменьшить в 2–3 раза.
Как же работают столь привлекательные котлы с кипящим слоем? Оказывается, при продувании с большой скоростью воздуха между твердыми частицами они начинают вести себя словно кипящая жидкость («псевдосжиженный слой»). Если же повысить давление, то «кипящий» слой займет меньший объем; в него будет подаваться больше воздуха, а с ним кислорода. Энерговыделение в единице объема резко возрастает, соответственно уменьшаются размеры котла. Тепло от частиц передается трубкам парогенератора, пронизывающим кипящий слой.
У таких котлов есть еще несколько интересных особенностей. Псевдосжиженный слой на 90 процентов состоит из песка; в этот слой, разогретый пламенем газовой горелки, и подается угольная пыль. Частицы угля горят и передают свое тепло песчинкам. Каждая крупинка топлива достаточно долго находится во взвешенном слое и успевает сгореть полностью. Кстати, в топках с кипящим слоем можно сжигать не только уголь, но также торф, дерево, резину, битумные сланцы, опилки и городские отбросы.
Правда, при продувании воздухом уносится некоторая доля частиц. Беспокоит также быстрая эрозия трубок парогенератора. Чтобы трубки служили дольше, их делают ребристыми. Впрочем, достоинства перевешивают недостатки. Так, благодаря хорошей теплоотдаче поддерживается невысокая температура слоя — 800–850 °C. Образуется гораздо меньше окислов азота. Если же в топку добавлять пылевидные частицы доломита или известняка, то они вступят в реакцию с окислами серы и образуют сульфат кальция, удаляемый с золой. Это очень эффективный способ уменьшения выбросов серы.
Дальнейшее масштабное наращивание мощностей электростанций и котельных на угле невозможно без решения экологических проблем, связанных с использованием угля. О восстановлении ландшафта уже говорилось. Эта цель достижима. А вот удастся ли очистить дымовые газы — пока еще не до конца ясно. Так, на конденсационных электростанциях, удаленных от городов (так как они не производят тепла), при сжигании за один час 1000 тонн низкосортного донецкого угля выбрасывается:
34 тонны шлака;
200 тонн золы;
230 тонн двуокиси углерода;
10 тонн окислов азота;
25 тонн двуокиси серы;
2 тонны золы летучей, не пойманной фильтрами.
Особенности углей различных месторождений создают дополнительные трудности. Например, зольность экибастузского угля достигает 50 процентов, причем зола плохо улавливается электрофильтрами. Пришлось создавать двухступенчатую систему очистки. На первой ступени газ увлажняется в особой камере (скруббере), снижается его температура, частично улавливается зола. Меняются также и электрофизические свойства остающейся золы, и электрофильтры второй ступени начинают работать эффективнее. В создаваемых установках тщательность очистки ожидается на уровне 99 процентов.
Очень сложно и дорого улавливать окислы азота. Как сделать, чтобы их образовывалось поменьше? Для этого предлагается снижать температуру в топке, используя в топочной камере рециркулирующие дымовые газы, воду или пар, практикуя двухступенчатое сжигание топлива или ограничивая доступ воздуха в зону горения.
Но под особым прицелом специалистов находится двуокись серы.
Видимо, недаром в различных поверьях «серный дух» связан с нечистой и коварной силой. Если не удастся предотвратить выбросы окислов серы, то под вопросом окажется сама возможность крупномасштабного развития угольной энергетики.
Существующие установки по удалению серы дороги, громоздки и несовершенны. Работают они так: через большую емкость снизу вверх подаются дымовые газы, выходящие из электрофильтра. Навстречу им сверху из форсунок разбрызгивается известковый раствор карбоната кальция. Двуокись серы взаимодействует с известью и образует твердый шлам — сульфиты и сульфаты кальция.
Недостаток этого способа — очень медленное течение процесса. Ведь для эффективного удаления двуокиси серы нужно, чтобы ее контакт с известковым раствором был как можно длительнее. Поэтому для электрических станций мощностью всего в 150 мегаватт приходится строить скрубберы в 10 метров диаметром и 20 метров высотой.
Размеры очистных установок и затраты на их эксплуатацию пропорциональны содержанию серы в углях.
К счастью, в нашей стране преобладают малосернистые угли, в то время как угольные месторождения США содержат серы в два-три раза больше. Из-за этого энергетики США издавна вынуждены были заниматься сероулавливающими установками, накопили большой опыт, который нельзя назвать удовлетворительным. Сооружения очень дорогие. Их стоимость достигает половины стоимости всей станции, где сжигаются высокосернистые угли!
Уже в 1980 году на станциях США ежегодно скапливалось 200 миллионов тонн шламов — сульфатов кальция. А ведь их нужно куда-то девать, тратить средства на закапывание и рекультивацию. На других ГРЭС и ТЭЦ пытаются применять такие поглотители двуокиси серы, как озонированная жидкость, аммиак, известь, магнезит.
В нашей стране стоимость сероулавливающих установок достигает 25–35 процентов от стоимости станции, и для каждой ТЭС мощностью в миллион киловатт абсолютные затраты на сероочистку составляют 80-120 миллионов рублей! Чтобы снизить такие огромные расходы, надо искать принципиально новые решения.
Делаются попытки удалить серу из угля еще на углеобогатительных фабриках. Опробовано несколько способов, но эффективность их низка. Правда, в одной из недавних статей американские исследователи сообщают, что при использовании ультразвука эффективность отделения от угля серосодержащих частиц, в том числе серного колчедана, в двадцать раз больше.
Некоторые бактерии способны питаться серой, содержащейся в каменном угле. Предположим, измельченный уголь обрабатывается водой, насыщенной этими микроорганизмами. Тогда есть надежда удалить большую часть серы при транспортировке угольной суспензии в углепроводах (в это время микробы будут делать свое дело).
Канадская фирма «Конкорд Сайентифик» разработала процесс одновременной очистки дымовых газов как от окислов серы, так и от окислов азота. При этом применяется ультрафиолетовое излучение, под воздействием которого окислы превращаются в сульфаты и нитраты — готовые удобрения. По уверениям фирмы, очистные установки обходятся якобы почти в четыре (!) раза дешевле обычных, а эксплуатационные расходы меньше на 80 процентов. Впрочем, не выдается ли здесь желаемое за достигнутое?
Сероочистка удешевится, если бы удалось выделить серу в чистом товарном виде и тем самым частично окупить затраты. Подобный способ испытывается на одной из молдавских ТЭС. Проблема удаления и выделения серы важна также для нефти и газа. Если сквозь нефть пропускать водород, он соединяется с серой и образует сероводород, который сжигают, теряя при этом как водород, окисляющийся до воды, так и серу, выбрасываемую в виде двуокиси. Между тем сера — ценный продукт для производства серной кислоты, сульфита целлюлозы и других продуктов, и мы закупаем его на мировом рынке.
Новый принцип, который апробируется ныне на Дрогобычском нефтеперерабатывающем заводе, был предложен учеными Института атомной энергии имени И. В. Курчатова, исследовавшими свойства низкотемпературной плазмы — смеси свободных электронов и ионизированных атомов. Одно из направлений исследований, получившее название «плазмохимия», возглавил в институте академик В. А. Легасов. Почему бы, задумались плазмохимики, не утилизировать сероводород, образующийся при гидроочистке нефти? Ведь если удастся «дешево», то есть затрачивая мало энергии, в высокопроизводительной установке «развалить» сероводород на водород и серу, то проблема очистки «черного золота» решается очень красиво: водород вновь используется для очистки следующей порции углеводородного сырья, а сера отгружается для производства серной кислоты.
