Мазут / Off
Отказ от растопочного нефтетоплива поможет не только существенно улучшить экологические показатели угольных ТЭС, но и сулит энергетикам ощутимую экономическую выгоду
В начале сентября Сибирская генерирующая компания (СГК, принадлежит СУЭК) сообщила, что начала переводить свои тепловые электростанции на систему безмазутного розжига пылеугольных котлов. Первой опытной площадкой для тестирования технологии станет котел №2 Красноярской ТЭЦ-2. Экологи СГК рассчитали, что это позволит сократить валовый выброс мазутной золы в Красноярске больше чем на 6,5 тонн в год. В течение зимы котел обычно регулярно останавливается и запускается, за счет этого можно будет в рабочем режиме выявить все проблемные вопросы новой технологии.
Также в СГК заявили, что ведут с разработчиками переговоры об адаптации этого же метода к оборудованию ТЭЦ Новосибирска. Перспектива — внедрить безмазутный розжиг во всех городах присутствия компании. «Если мы уйдем от мазута, то не будет того черного дыма, который многих пугает при растопке котлов, поднимется экономическая эффективность наших станций, повысится пожарная безопасность производства», — рассказал в начале августа технический директор СГК Олег Петров.
«Одна из крупных инжиниринговых компаний на энергетическом рынке предложила СГК собственное запатентованное оборудование для опытного внедрения новой технологии… Данная технология позволит сэкономить на содержании мазутных хозяйств и закупке мазута», — заявили в СГК. Суммарное потребление мазута по всем филиалам компании не превышает 69 тыс. тонн в год, и экономия (теоретически) на отказе от использования этого топлива может составить около 1 млрд рублей (без учета затрат на ликвидацию мазутных хозяйств, которые на станциях занимают небольшой объем площадей, и не сыграют существенной роли в освобождении территории). Это весьма существенная сумма.
Как удалось выяснить «Кислород.ЛАЙФ», крупная инжиниринговая компания, ставшая партнером СГК в этом проекте — это не одна организация. В Новосибирске на котлах протестируют разработанную еще в 2007 году под научным руководством д.т.н. Феликса Серанта и запатентованную Группой «КОТЭС» электро-ионизационную технологию воспламенения топлива. Ее суть — в использовании тока высокой частоты 20 кГц и напряжением 10кВ для создания электродугового воспламенения угольной пыли, поступающей в горелочное устройство котлоагрегата. Это сегодня наиболее прогрессивная технология растопки в мире (ее еще называют электрохимическим розжигом). В Красноярске схожую технологию будет отрабатывать ООО «Сибтехэнерго» (входит в Группу «Интертехэлектро»).
Зачем угольщикам мазут?
Мазут, побочный продукт переработки нефти, а также дизельное и другие виды нефтетоплив (например, газотурбинное), используются в тепловой генерации России в различном качестве. Как основной вид топлива мазут сжигает, по факту, только Мурманская ТЭЦ, а также более 2,2 тыс. котельных разной мощности (их число год от года сокращается), а ДТ — дизельные электростанции, расположенные в изолированных от ЕЭС России районах Крайнего Севера. Но газовых ТЭС мазут или солярка выполняют важную роль резервных и аварийных запасов (на случай, например, аварий на газопроводах или внезапных ограничений в подаче газа). А вот в угольной генерации нефтетопливом пользуются, по сути, лишь эпизодически — при растопке пылеугольных котлов, а также для стабилизации горения факела (т.н. «подсветки»).
По данным Минэнерго РФ, по итогам 2019 года расход ДТ на производство электрической и тепловой энергии превысил в России 145,1 тыс. тонн, а мазута — 1,2 млн тонн. В тоннах условного топлива это — примерно 210,6 тыс. и более 1,65 млн соответственно. В целом на нефтетопливо приходится не более 3,5% в суммарном топливном балансе тепловой генерации России (включая не только 566 ТЭС, но и 74,8 тыс. котельных), доминируют в нем газ и уголь.
Тем не менее, несмотря на разный «статус» нефтетоплив — от основного до растопочного, и относительно небольшие объемы его потребления — исторически, еще с советских времен, практически все ТЭС в стране — и газовые, и угольные — были оснащены полноценными мазутными (или дизельными) хозяйствами. И если солярка особого отношения к себе не требует, то мазут является крайне привередливой субстанцией — мало того, что для его слива приходится пропаривать железнодорожные цистерны, так и в процессе эксплуатация часть тепловой и электрической энергии тратится на поддержание технологически необходимой температуры мазута в баках. Иначе он просто застынет в циркулирующих трубопроводах. «Мазутное хозяйство — не только технологически сложный, но и опасный производственный комплекс. При хранении и перекачке мазута также всегда существует риск разлива топлива, что влечет за собой существенные экологические последствия», — рассказали «Кислород.ЛАЙФ» в пресс-службе финской «Фортум».
Если в газовой генерации альтернативные запасы топлива могут в течение сезона вообще не использоваться, то на угольных ТЭС совсем избежать совместного сжигания угля и обладающего более высокой реакционной способностью мазута не получится по чисто техническим причинам. Между тем энергетические показатели пылеугольных котлоарегатов из-за этого сильно страдают: на 10-15% повышается механический недожог топлива, снижается КПД (на 2-5%), возрастает скорость высокотемпературной коррозии экранных поверхностей нагрева и падает надежность эксплуатации всего котельного оборудования. Но все это, так сказать, проблемы энергетиков — обычным горожанам они и непонятны, и незаметны.
А вот густой черный дым, который валит из дымовых труб при растопке котла (о чем и говорил Олег Петров), порой попадает даже в городские новости. Хотя, как правило, это явление длится всего несколько часов, обыватели успевают не на шутку испугаться и завалить соцсети своими фобиями. Справедливости ради, страхи не беспочвенны: по экспертным оценкам, в ходе таких вот кратковременных «включений» нефтетоплива в процессы сжигания выход оксидов азота и серы возрастает на 30-40: (за счет более высокого содержания серы в мазуте)0. Появляются в воздухе и выбросы канцерогенной пятиокиси ванадия, а также углексилоты и метана. «Когда «холодный» котел начинает работать на мазуте, во-первых, всем визуально становятся заметны вредные выбросы из труб. Во-вторых, в растопочных режимах мы вынуждены отключать электрофильтры. Чтобы они включились, надо, чтобы прошло определенное время — и выгорело все, что осталось от мазута. Все это время котлоагрегат работает на угле, но без очистки дымовых газов. Понятно, что это не сутки, не недели, не месяцы, это все измеряется в часах, но, тем не менее, это большой минус», — объяснял «Кислород.ЛАЙФ» заместитель генерального директора — глава Красноярского филиала СГК Александр Шлегель.
Кроме всего прочего, мазут является чрезвычайно дорогим топливом, особенно в сравнении с углем. По данным из Доклада о теплоэнергетике и централизованном теплоснабжении в России, который Минэнерго РФ представило в этом мае, в пятилетку 2014-2018 годов средние цены на газ и уголь (в топливном балансе на них совокупно приходится 96%) росли стабильно, а на нефтетопливо — показывали более чем двукратные колебания (в зависимости от структуры и объемов потребления, а также изменений режима налогообложения в нефтяном секторе — снижение экспортных пошлин в рамках налогового маневра). При этом если цены на уголь в среднем составляют около 60% от цен на природный газ, то нефтетопливо стоит в два-четыре раза дороже «голубого топлива».
А в связи с переходом российских НПЗ на технологии более глубокой переработки нефти с высокой долей выхода светлых нефтепродуктов мазут в перспективе станет, мягко говоря, дефицитным товаром. Со всеми вытекающими. «В отличие от угля мазут — более дорогое топливо, которое с каждым годом растет в цене. К тому же мазут облагается еще и дополнительным налогом. Цена еще возрастет. С 1 апреля этого года введен дополнительный акциз на мазут. Использование мазута в несколько раз дороже, чем использование угля. Тенденция роста стоимости сохранится. Это связано с тем, что глубина переработки нефти увеличивается, а мазут, в свою очередь, является тяжелой фракцией, то есть остатком от переработки. Из-за этого снижается качество мазута, а также растет и его цена», — отмечал ассистент кафедры тепловых электрических станций НГТУ-НЭТИ Денис Синельников.
В этих условиях вытеснение мазута (и ДТ) из топливного баланса пылеугольных ТЭС давно является актуальной проблемой. В идеале энергетики стремятся не столько даже снизить или полностью ликвидировать затраты на содержание мазутных хозяйств, сколько минимизировать негативное воздействие ТЭС на окружающую среду.
В газовой генерации отказ от использования нефтетоплива возможен после «двойного резервирования» — подключения ТЭС к двум независимым (это важно!) веткам газопроводов. Например, ПАО «Интер РАО» в августе сообщило, что перестанет потреблять нефтетопливо на Костромской ГРЭС в качестве резервного после завершения строительства второй нитки газопровода (сейчас эта станция снабжается по единственной магистрали, введенной в эксплуатацию еще в 1970-х), которая «снимет и существенные риски загрязнения окружающей среды, связанные с хранением большого количества мазута на станции».
Финская «Фортум» еще в 2018 году, после завершения строительства резервной нитки газопровода до Челябинской ТЭЦ-1, реализации запасов мазута и «выполнения работ по зачистке мазутного бака, утилизации отходов и снятию признаков опасности», вывело мазутное хозяйство этой станции из эксплуатации. Экологическим эффектом стало улучшение качества сточных вод в озеро Шелюгино и «нейтрализация риска попадания мазута в случае технологических инцидентов в водные объекты города».
По схожей схеме в 2017 году было законсервировано и мазутное хозяйство на газовой Челябинской ТЭЦ-3, состоявшее из трех мазутных баков емкостью по 5 тыс. кубометров каждый, мазуто-насосной станции и приемо-сливной эстакады. Это позволило снизить энергозатраты станции, полностью исключить риск инцидентов с попаданием нефтепродуктов в озеро Первое (более того, концентрации нефтепродуктов в стоках снизились в 1,8 раза), а также сократить выбросы NOx, диоксида серы и золы на 4,3 тыс. тонн в год (Челябинская ТЭЦ-2 работает на угле, и там вопрос с мазутом будут решать в комплексе — рассматривается вариант перевода этой станции на сжигание газа).
Однако, как отметили «Кислород.ЛАЙФ» в Минэнерго РФ, в газовой генерации «полный отказ от мазута невозможен, так как по требованиям надежности у станций должно быть резервное топливо». И далеко не всем газовым ТЭС светит такое счастье, как «двойное резервирование». А вот в угольной генерации отказ от мазута (или ДТ) — вполне реальная перспектива. Дело в том, что на таких станциях и основные, и аварийные, и резервные запасы лежат на одном угольном складе. Проблема в том, что угольная пыль, которую подают на горелки котлов — по сравнению с газом, ДТ или мазутом — требует более высокой температуры воспламенения и более длительного температурного воздействия, поэтому использовать ее для растопки «холодных» котлоагрегатов не получится. Без определенной подготовки. Именно способами этой самой подготовки и отличаются разные технологии безмазутного розжига.
Оседлать плазму
По факту, в угольной генерации давно используют различные методы, позволяющие, прежде всего, по максимуму снизить расходы мазута: например, утонение помола или механоактивация угля, подогрев воздуха и пылевоздушной смеси и т.п. Но тестировались на различных ТЭС и различные конструкции растопочных пылеугольных горелок. В основе большинства из них был заложен принцип частичной газификации угля, позволяющий за счет предварительного прогрева пылевоздушного потока получить на выходе легковоспламеняющуюся смесь. Собственно, все эти горелки различаются только способами этого прогрева. В основном нужного результата добиваются за счет сжигания небольшого (в десятки раз меньшего, чем требуется на растопку) количества мазута (или газа), причем иногда лишь на начальной стадии прогрева.
Но, естественно, все искали и более прогрессивный способ, позволяющий не просто радикально сократить, а полностью отказаться от потребления жидкого топлива, — и это оказались плазменные технологии. По оценке д.т.н. Виталия Дубровского, директора ООО «ЭкоЭнергия» (Красноярск), если традиционное сжигание топлива происходит на атомно-молекулярном уровне, то в случае с плазмой — уже на ионно-электронном (или физико-химическом) уровне, «что обеспечивает более глубокое управление процессом и, как следствие, его максимальную энергетическую эффективность». Высокая температура плазмы позволяет очень быстро прогревать топливо, до температуры частиц 800-900 градусов по Цельсию и выше, что интенсифицирует разложение в нем органической части. «После обработки плазмой поток содержит в себе деструктурированные частицы угля и легко воспламеняющиеся газы. Такой состав позволяет надежно воспламенять и стабильно поддерживать горение основного пылеугольного факела в топке парогенератора», — описывалось в одной научной работе.
«Кратковременная работа плазмотрона позволяет произвести растопку котла и осуществить достижение всех необходимых растопочных параметров. Под воздействием плазмы частицы угля дробятся на более мелкие компоненты и происходит их интенсивная газификация. Все это повышает реакционные свойства топлива и горение протекает более устойчиво. Для растопки могут применяться электродуговые и СВЧ-плазмотроны», — говорится в Справочнике НДТ ИТС-38. При этом электрическая мощность, потребляемая плазмотроном, не превышает 2,5% (в зависимости от типа углей и горелки) от тепловой мощности пылеугольной горелки и составляет всего 0,3-0,5% от тепловой мощности котла.
Плазмотроны как альтернативу мазутному розжигу опробовали на котлоагрегатах угольных ТЭС еще во времена СССР. Но по ряду технических причин распространения в нашей стране они не получили. Зато к настоящему времени электродуговые установки смонтирована на более чем 700 энергетических котлов в Китае, в том числе весьма мощных (например, на Фугуской ТЭС в безмазутном режиме работает два энергоблока по 600 MВт). Но китайские плазмотроны отличаются высоким процентом механического уноса пылеугольной смеси, которая при масштабировании мощности лишь увеличивается. Это ставит под вопрос безопасность использования технологии.
Среди других причин, сдерживающих ее распространение в той же КНР — высокая энергоемкость и низкая экономическая эффективность, специальные требования к системе охлаждения плазмообразующего воздуха, необходимость установки разделительного трансформатора. Но самый большой минус — малый ресурс непрерывной работы (до 200 часов). Плазмотроны в Китае ориентированы лишь на розжиг котла, и могут быть использована на короткое время для целей подхвата факела и стабилизации горения.
В ГК «КОТЭС» разработали другой метод безмазутного розжига, не требующий мощного источника электропитания и ориентированный на стабилизацию горения пылеугольного факела. В ее основу была положена электро-ионизоционная технологии воспламенения топлива. По данным с сайта компании, базис технологии — «электрохимический механизм воспламенения за счет интенсификации ионизационных процессов в пограничном слое корня факела». «Это не плазменная технология в ее привычном виде — у нас нет плазмотрона, генерирующего высокотемпературную плазменную струю в 6000 градусов. Тем более что слово «плазма» в силу капризности плазмотронов давно получило в отрасли несколько негативный оттенок, — рассказывает «Кислород.ЛАЙФ» технический директор ООО «КОТЭС Инжиниринг» Сергей Кучанов. — Мы заменили слово «плазма» на слово «электро-ионизация», за счет которой и создается реакционный объем высокочастотной плазмы с обеспечением воспламенения при низкой температуре и с меньшим потреблением мощности. Как следствие, это сказывается на повышении надежности плазменного оборудования. Условно говоря, если плазмотрон потребляет 200 кВт, то наш электо-ионизационный воспламенитель — в десять раз меньше. Если ресурс плазмотрона, его основных горячих компонентов — где-то 100-200 часов, то у нашей системы — более 2000 часов».
По словам Кучанова, долгое время для электро-ионизационных запальников не удавалось решить «родовую» проблему, присущую всем плазмотронам. «Когда используешь его только в качестве подсветки — вопросов не возникало, но при пуске котла с холодного состояния, в момент старта, обострялась проблема безопасности. Пылеугольное состояние — априори взрывоопасное, и при растопке котла в холодном состоянии может произойти большой вброс пыли, которая может сдетонировать. Этот риск нужно было полностью исключить, найти такой конструктив устройств, чтобы этой опасности не было».
Усовершенствованную технологию опробовали ранее на горелочных устройствах котлов ПК-24 (паропроизводительностью 270 тонн/час) и БКЗ-420, установленных на тепловых станциях «Иркутскэнерго» и на Красноярской ГРЭС-2, которая с этой осени также вошла в контур СГК. Этой весной «КОТЭС Инжиниринг» провел открытые горячие испытания своего запальника на огневом стенде тепловой мощностью 5 МВт в Институте теплофизики СО РАН в новосибирском Академгородке. Решение, которое сейчас разработчики предлагают энергетикам, упаковано «под ключ», его срок окупаемости может составить от двух до пяти лет. А экологический эффект будет ощутим сразу. Кроме этого, использование электро-ионизационных запальников — в теории — позволит оптимизировать режимы сжигания топлива, расширить номенклатуру использования углей и диапазоны нагрузок котла, обеспечить пожаробезопасность процесса растопки и т.д.
По оценке Виталия Дубровского, замещение углем мазута может в перспективе снизить выбросы оксидов азота на 40-50% благодаря превращению азота топлива в молекулярный азот в обедненных кислородом зонах воспламенения и горения, уменьшить выбросы оксидов серы на 30-40% (в случае замещения высокосернистого мазута) и полностью устранить выбросы пятиокиси ванадия. Другим эффектом будет снижение суммарной эмиссии двуокиси углерода, что произойдет за счет увеличения эффективности процесса горения, уменьшения механического недожога топлива и содержания углерода в уносах (в полтора-два раза).
В Минэнерго РФ «Кислород.ЛАЙФ» заявили, что «сейчас большинство ТЭС используют термический способ розжига топлива, при помощи мазута. К минусам использования такого метода можно отнести неэкономичность, пожароопасность и черный дым во время растопки котлов из труб теплоцентралей, на который жалуются местные жители». Поэтому в ведомстве приветствуют инициативу СГК, «так как за счет этого снижаются экологические риски и повышается эффективность генерирующих компаний».
«В отличие от дорогостоящих технологий газоочистки на угольных ТЭС, почти единственным экономически мотивирующим для энергетиков мероприятием видится переход именно на безмазутный розжиг пылеугольных котлов. Отказ от мазута (дизеля) в технологии розжига позволяет ТЭС избавиться от затрат на дорогостоящее высокореакционное топливо, а в исключительных случаях — вообще ликвидировать эти топливные хозяйства (вспомним экологическую катастрофу в Норильске и сгоревший новый котел на Березовской ГРЭС). Одновременно с этим существенно улучшаются экологические показатели работы котлов в процессе розжига. Здесь получается и энергетики, и общество в плюсе», — говорит Сергей Кучанов.
Источник: Кислород.ЛАЙФ (https://kislorod.life/keysy/mazut_off/)
