Технология Clean Coal — чистое сжигание угля. Cleandex
Каменный уголь, начиная с периода промышленной революции, играет важнейшую роль в топливном балансе планеты. На сегодня, его доля среди всех используемых источников энергии составляет около 23%. Уголь – это самый доступный энергоресурс, его потребление растет повсеместно. Например, с 2001 по 2005 год потребление угля (для разных нужд) в США выросло почти на 50%, в Индии на 70%, а в Китае оно удвоилось.
Запасы угля в отличии от нефти и газа огромны. Уголь способен обеспечивать энергетические аппетиты планеты в течении ближайших столетий. Однако, уже давно доказано, что уголь, как топливо, имеет существенные недостатки, главный из которых – огромный ущерб экологии.
При сжигании угля в атмосферу в значительных концентрациях попадает целый ряд опасных соединений (NOx, SO2 и пр. ), среди которых есть и парниковые газы. Особенность угля, как топлива, в том, что на один выработанный кВт*ч электроэнергии на угольной станции приходится значительно большая эмиссия парниковых газов, чем на газовой станции.
Именно сжигание угля является основным антропогенным фактором глобального потепления. К сожалению, альтернативы использованию угля в энергетике, особенно в развивающихся странах на сегодня нет. Поэтому, ученые бьются над задачей снижения экологического ущерба от его использования.
Еще недавно задача казалась невыполнимой. Предлагавшиеся методы были практически не реализуемыми и приводили к отрицательной энергетической эффективности угольных станций. Построенная в Германии опытная установка, должна на практике доказать, что создание эффективной «чистой» угольной электростанции возможно.
Строительство установки осуществила одна из крупнейших немецких энергетических компаний — Vattenfall. Пилотный проект является важной вехой на пути к реализации стратегической цели компании – строительству коммерческой «чистой» угольной станции в периоде между 2015 и 2020 годом.
Реализация проекта была начата в 2005 году, когда Vattenfall принял решение о строительстве первой в мире опытной «чистой» угольной электростанции мощностью 30 МВт, использующей технологию сжигания угля в чистом кислороде с последующей очисткой дымовых газов и утилизацией углекислого газа (oxyfuel capture method).
За три года в проект было инвестировано 50 млн. евро.
Опытную станцию было решено построить рядом с действующей угольной станцией мощностью 1600 МВт в местечке Schwarze Pumpe в восточной Германии. Такое решение позволило частично использовать уже существующие технологические цепочки.
Для реализации проекта компания Vattenfall выбрала один из трех широко известных методов утилизации углекислого газа. Выбранный метод наиболее экономичен и приспособлен для широкого распространения на действующих угольных станциях.
Суть метода состоит в том, что из воздуха выделяется кислород, который смешивается с угольной пылью и сжигается. При сжигании угля в чистом кислороде (а не в воздухе) в дымовых газах отсутствуют опасные соединения азота (NOx). После нескольких ступеней очистки в дымовых газах остается лишь углекислый газ. Газ сжимается в компрессоре в 500 раз и закачиваться в емкость для транспортировки к месту захоронения на глубине 1000 метров под поверхностью земли.
Таким образом, закаченный газ будет надежно скрыт от попадания в атмосферу.
Модель станции Schwarze Pumpe. По сравнению с гигантской действующей угольной станцией (на изображении справа) опытная установка (слева) выглядит, как лилипут.
Остается нерешенным вопрос, захотят ли энергетические компании платить высокую цену за установку на своих станциях утилизационного оборудования и оплачивать строительство хранилищ газа. Одной из экологических групп выражающих сомнение в целесообразности освоения новой технологии является известная организация Greenpeace. Ее специалисты считают, что новая технология служит лишь поводом для оправдания продолжения строительства угольных станций. По их мнению, новая технология слишком дорога и она осваивается слишком поздно, чтобы изменить ситуацию с эмиссией парниковых газов. Кроме того, исследования в области «чистого угля» отвлекают столь необходимые ресурсы от альтернативных источников энергии, энергосбережения и энергоффективности — от тех сфер, в которых действительно может быть найдено решение проблемы.
Евросоюз в течение ближайших лет планирует запустить в эксплуатацию 10–12 демонстрационных установок по утилизации углекислого газа на разных станциях Европы. Многие энергокомпании давно проявляют интерес к этому проекту, но никто из них еще не приступил к строительству. Правительство Великобритании в октябре заявило, что присоединяется в программе Евросоюза и готово участвовать в финансировании пилотного проекта.
Одним из главных факторов, тормозящих внедрение технологии, является отсутствие согласия между Европейской комиссией и парламентом по поводу того, как финансировать эти проекты. Требуются десятки миллиардов долларов для того, чтобы дооборудовать действующие станции. При этом, никто не хочет перекладывать эти инвестиции на плечи потребителей энергии.
В настоящее время дискутируются несколько вариантов финансирования:
• Прямое выделение средств из бюджета европейского союза и государств-членов,
• Премирование тех энергокомпаний, которые будут уменьшать эмиссию углекислого газа,
• Создание нового фонда, который будет действовать в рамках европейской системы торговли квотами на эмиссию парниковых газов (EU’s Emission Trading Scheme (EUETS).
Фонд будет кредитовать энергокомпании, но не денежными средствами, а квотами на выброс парниковых газов. Расплачиваясь за кредит, энергокомпания должна будет закачать определенное количество тонн углекислого газа в подземные хранилища.
Так как технология строительства коммерческих станций с утилизацией углекислого газа еще не существует, никто не знает, какова будет окончательная стоимость таких объектов. Согласно разным оценкам, стоимость одного киловатта установленной мощности на угольной станции с утилизацией СО2 может быть сравнима с ветроэнергетической установкой (то есть около 3000 долл. за кВт).
Метод «oxyfuel capture»
Опытная угольная электростанция в местечке Schwarze Pumpe использует в качестве окислителя для топлива чистый кислород (oxyfuel). Угольная пыль смешивается не с воздухом, как на обычных станциях, а с практически чистым кислородом.
Опытная электростанция в местечке Schwarze Pumpe
Метод утилизации углекислого газа «oxyfuel capture»
Стадии процесса сжигания угля и утилизации дымовых газов:
1.
Разделение воздуха
В специальной установке удаляется азот, доля которого в воздухе достигает 78%. Существенным недостатком технологии являются большие энергозатраты на процесс разделения, существенно снижающие эффективность станции в целом.
2. Сжигание топлива
В котле происходит сгорание угля и образование пара, который приводит во вращение турбину. Кислородно-угольная смесь сгорает при более высоких температурах, чем воздушно-угольная. Для того, чтобы снизить температуру часть отходящих дымовых газов возвращается в котел.
3. Удаление золы из дымовых газов
Для удаления золы используются электромагнитные фильтры.
4. Удаление оксидов серы
Из дымовых газов удаляется оксид серы (SO2), который при попадании в атмосферу может стать причиной кислотных дождей. Для удаления этого соединения в поток дымовых газов подается струя из смеси воды и известняка. SO2 вступает в реакцию и образуется гипс, который в дальнейшем может использоваться в строительстве.
5. Охлаждение и конденсация
На этом этапе дымовые газы охлаждаются, в результате чего пары воды конденсируются. Поскольку азот был удален из воздуха еще до попадания в котел, в дымовых газах отсутствуют опасные соединения азота (NOx). После прохождения этого этапа дымовые газы представляют собой практически чистый поток углекислого газа.
6. Сжатие углекислого газа
Содержание СО2 в дымовых газах на этом этапе достигает 95%. При давлении около 70 атмосфер газа становится жидким, напоминающим по плотности тяжелую нефть. После этой стадии углекислый газ готов к транспортировке и захоронению.
Компания Vattenfall продолжает исследовать потенциал и двух других технологий – удаления углекислого газа в дымовых газах после сжигания (метод postcombustion) и до сжигания (метод precombustion).
Метод «pre-combustion»
Отличие метода состоит в том, что на первом этапе уголь подвергается газификации (нагреванию) в результате чего получается синтетический газ и твердый остаток.
Затем синтетический газ проходит ряд ступеней очистки и подвергается химической реакции, в ходе которой содержащийся в синтезгазе монооксид углерода (СО) преобразуется в водород (h3) и углекислый газ (CO2). Углекислый газ удаляется из синтеза-газа при помощи жидкого абсорбента. Оставшийся водород сжигается в газовой турбине. В отдельной установке углекислый газ восстанавливается и затем подвергается сжатию.
Метод «pre-combustion»
В этом методе уголь сжигается, смешиваясь с воздухом в обычном котле. Затем происходит удаление золы и SO2, после чего при помощи жидкого абсорбента удаляется углекислый газ. Главный минус этого метода в том опасный оксид азота (NOx) попадает в атмосферу.
Метод «post-combustion»
Последняя стадия процесса утилизации углекислого газа – это захоронение его в подземных хранилищах, где он должен оставаться тысячи лет.
Для наиболее эффективной транспортировки углекислый газ должен быть сжижен при давлении около 70 атмосфер.
Захоронение газа на глубине 800 метров и более дает гарантию сохранения давления, то есть газ будет оставаться в жидкой фазе. Для хранилища подойдут достаточно распространенные области с пористыми породами. Например, может быть использован известняк, треть объема которого составляют поры. Над пористыми должны находится плотные породы (например глина), формирующие герметичный колпак, сохраняющий давление в хранилище.
В качестве хранилищ могут быть использованы:
• месторождения газа и нефти (причем как выработанные так и действующие). Эти хранилища доказали свою герметичность. Если бы эти области были не герметичными, не было бы и месторождений нефти и газа.
• подземные резервуары соленой воды. СО2 будет надежно хранится в таких резервуарах, подобно тому, углекислый газ хранится в бутылках с газированной минеральной водой.
• неиспользуемые угольные месторождения. Уголь так же имеет микропоры, которые могут быть заполнены углекислотой.
Согласно последним исследованиям, емкости всех известных месторождений нефти и газа достаточно, чтобы закачивать в них весь объем эмиссии СО2 на планете в течение 40 лет. Емкость резервуаров соленой воды, по мнению ученых, в 100 превышает емкость нефтяных и газовых месторождений. Таким образом, на земле вполне достаточно емкостей для захоронения углекислого газа в течение нескольких веков. Проблема только в том, что емкости размещены крайне неравномерно. В Индии и Японии, например, их практически нет. С другой стороны, это открывает новые возможности для бизнеса в беднейших странах, которые могли бы представлять свои хранилища развитым странам за плату.
Коммерческий отчет «Маркетинговое исследование рынка энергетического угля»
Источник: www.newchemistry.ru
Технологии сжигания угля стали безопасными для природы
Свежий номер
РГ-Неделя
Родина
Тематические приложения
Союз
Свежий номер
Экономика
21.12.2016 14:00
Поделиться
Уголь не навредит природе
Сергей Исламов (доктор технических наук)
В наше время многократная смена технологических принципов в ведущих отраслях промышленности происходит фактически на глазах одного поколения, но этот процесс практически не затрагивает угольную энергетику.
Технологический принцип индустриального сжигания угля сохранился почти в неизменном виде со времен промышленной революции в Европе.
Еще каких-то полвека назад у нас отсутствовало такое понятие, как экология. Поэтому весь путь совершенствования аппаратов для сжигания угля — это повышение энергетической эффективности без оглядки на экологические последствия. С появлением природоохранных требований технология, по сути, не претерпела изменений — просто год от года стали возрастать затраты на очистку дымовых газов и обустройство золоотвалов. В результате постепенного увеличения мощности котлов и усложнения их конструкции удалось достичь предельно возможного уровня извлечения полезной энергии из угля. Вместе с этим достигли максимума и затраты на очистку дымовых газов и хранение золошлаковых отходов. И сегодня потенциал развития классической технологии сжигания угля можно считать исчерпанным.
В общественном сознании укоренилось мнение, что с точки зрения экологии наиболее безопасным топливом является природный газ: при его сжигании не образуется золошлаковых отходов, а дымовые газы почти наполовину состоят из «безвредного» водяного пара: при сгорании 1 килограмма газа образуется 2,6 кг углекислого газа и 2,25 — водяного пара.
Однако сторонники этого топлива почему-то замалчивают факт, что пар обладает более мощными парниковыми свойствами, чем углекислый газ. Более того, его влияние на климатические процессы еще плохо изучено.
Дополнительный вброс водяного пара выполняет роль спускового механизма для обвальных осадков на сравнительно небольших территориях
Затронем только одно свойство водяного пара — способность конденсироваться с выпадением на поверхность Земли осадков. При сжигании природного газа на территории Европы ежегодно образуется около миллиарда тонн водяного пара, который довольно часто играет роль критической добавки к естественно сложившемуся круговороту воды на континенте. Дело в том, что время от времени перемещение воздушных масс приводит к концентрации больших объемов влаги в ограниченных областях атмосферы. И тогда дополнительный вброс водяного пара выполняет роль спускового механизма для обвальных осадков на сравнительно небольших территориях. Это с определенной регулярностью приводит к массовым затоплениям или к неожиданным мощным снегопадам, которые наносят огромный ущерб экономике Евросоюза.
Кстати, при замене природного газа эквивалентным количеством водородного топлива поступление водяного пара в атмосферу Европы увеличилось бы в 1,5 раза. Климатические последствия этого эффекта сегодня трудно предсказуемы.
Одним из наиболее популярных способов «облагораживания» угля считается его газификация, что позволяет очистить газ перед сжиганием и реализовать парогазовый цикл производства электроэнергии с более высоким КПД, чем в обычной схеме с паровой турбиной. С точки зрения термодинамики, газификация угля- не более чем двухступенчатое сжигание.
Как правило, этот процесс осуществляется под высоким давлением с использованием кислорода вместо воздуха и влечет значительное усложнение оборудования (в том числе на стадии очистки газа) и, как следствие, — снижение надежности и рост удельных капитальных затрат. Естественно, что при этом сохраняется проблема золошлаковых отходов. Кроме того, весь углерод из угля переходит в синтетический газ в виде СО и СО2. Удаление СО2 перед сжиганием газа требует дополнительных инвестиций и снижает КПД электростанции, а это, в свою очередь, требует увеличения расхода угля.
В конечном итоге все дополнительные затраты суммируются в себестоимости угольного газа и итоговый экономический эффект далеко не всегда убедителен для инвестора. Поэтому технология газификации мало что изменяет в противостоянии угля и природного газа.
После подписания Парижского соглашения 2016 года вектор развития энергетики безоговорочно направляется в сторону низкоуглеродных и безуглеродных источников. Поскольку уголь принято считать самым грязным видом топлива, может ли он найти место в новом энергетическом сценарии? Как это ни странно прозвучит для многочисленных противников угля, ответ — да! Но только на базе новой концепции использования энергетических углей, которая адекватна современным экологическим и экономическим реалиям. Естественно, что речь может идти только о технологии, разработанной в XXI веке, а не о повышении степени очистки выбросов при классическом сжигании угля.
Уголь, безусловно, займет достойное место в новом энергетическом сценарии
Предпосылки нового подхода к использованию угля заключаются в следующем.
Примерно три четверти добываемого в России угля относится к категории энергетического. Преимущественно — это угли, у которых горючая масса содержит от 30 до 50 процентов так называемых летучих веществ. При частичной газификации таких углей образуется горючий газ, обогащенный водородом, а в твердом остатке остается углерод и зола. И здесь напрашивается лежащее на поверхности решение: для получения тепловой энергии следует сжигать только газовую составляющую угля, а углеродный остаток (вместе с золой) выводить из энергетического цикла для использования в других сферах промышленности. Благодаря новой технологии без значительных инвестиций эмиссия СО2 сокращается как минимум на треть. Безусловно, это — огромный технологический прогресс.
Наилучшим образом для частичной газификации подходят малозольные бурые угли Канско-Ачинского бассейна с 45-процентным содержанием летучих веществ, а также длиннопламенные угли Кузбасса и Хакасии. Принципиально важно, что уникальная технология не требует разработки новых аппаратов — она осуществляется внутри типового энергетического котла, подвергнутого незначительной модификации.
В инновационном котле уголь, условно говоря, разделяется на газовое топливо и углеродный остаток — термококс, который капсулирует в себе золу исходного угля. Газ тут же сгорает, обеспечивая паспортную тепловую мощность котла, а термококс после охлаждения направляется на склад готовой продукции. Новая технология имеет уникальные экономические показатели: продажа термококса как минимум компенсирует затраты на приобретение угля и тепловая энергия производится из газа с условно нулевой стоимостью!
Получение термококса происходит согласно международным стандартам по технологии «zero emission»
Еще один шаг в направлении «декарбонизации» угля. Поскольку удельные выбросы после сжигания «угольного газа» относятся на единицу тепловой энергии, получение термококса происходит абсолютно безотходно, то есть согласно современным международным стандартам по технологии класса «zero emission». Термококс — высококалорийное топливо специального назначения, для которого открываются широкие перспективы на достаточно длительном переходном периоде к безуглеродной экономике.
Это — идеальное топливо для вдувания в домны, а также для использования во многих технологических процессах, где требуется высокая теплота сгорания. Термококс имеет на порядок более высокую реакционность, чем металлургический кокс. И в то же время кратно пониженную себестоимость производства. Наряду с высоким электросопротивлением это обеспечивает возможность существенной интенсификации электрометаллургических переделов. Однако максимальный экономический и экологический эффект достигается при использовании термококса в технологиях прямого (недоменного) восстановления железной руды, где оказываются востребованными его относительная дешевизна и высокая реакционность. И это — единственная возможность радикально снизить себестоимость стали в обозримом будущем.
Коксохимическое производство выбрасывает в атмосферу примерно 0,3 тонны СО2 на каждую тонну произведенного кокса и огромное количество вредных веществ 2-4 класса опасности. Поэтому крупномасштабное замещение классического кокса новым продуктом, произведенным с нулевыми выбросами, приведет к значительному сокращению не только выбросов углекислого газа.
С учетом этого факта превышение выброса углекислого газа при частичной газификации угля по отношению к сжиганию природного газа составит всего лишь 30-35 процентов вместо почти двукратного превышения при классическом сжигании энергетических углей. Это сопоставимо с выбросами от сжигания бензина или дизтоплива. Таким образом, имеется вполне реальная возможность перевести, по крайней мере, часть энергетического угля в категорию низкоуглеродного топлива, тем более что новая технология и ее продукция прошли уже достаточно длительный период опытно-промышленной апробации.
Российская газета — Спецвыпуск: Энергетика №290(7158)
Поделиться
ЭнергетикаРесурсы
Основы угольной золы | Агентство по охране окружающей среды США
На этой странице
- Что такое угольная зола?
- Что электростанции делают с угольной золой?
- Сколько там угольной золы?
- Почему угольная зола используется повторно?
- Почему EPA регулирует угольную золу?
Что такое угольная зола?
Угольная зола, также называемая остатками сжигания угля или CCR, образуется в основном при сжигании угля на угольных электростанциях.
Угольная зола включает ряд побочных продуктов, образующихся при сжигании угля, в том числе:
- Летучая зола , очень мелкодисперсный порошкообразный материал, состоящий в основном из кремнезема, образующийся в результате сжигания мелкоизмельченного угля в котле.
- Зольный остаток , крупная угловатая частица золы, которая слишком велика, чтобы попасть в дымовые трубы, поэтому она образуется на дне угольной печи.
- Котловой шлак , расплавленный зольный остаток из шлакового крана и печей циклонного типа, который после охлаждения водой превращается в гранулы, имеющие гладкий стекловидный вид.
- Материал для десульфурации дымовых газов , материал, оставшийся после процесса снижения выбросов диоксида серы из угольного котла, который может представлять собой влажный шлам, состоящий из сульфита или сульфата кальция, или сухой пылевидный материал, представляющий собой смесь сульфитов и сульфаты.
Другие виды побочных продуктов:
- зола от сжигания в псевдоожиженном слое,
- ценосфер и
- остатки скруббера.
Что электростанции делают с угольной золой?
Угольная зола утилизируется или используется по-разному в зависимости от:
- типа побочного продукта,
- процессы на заводе и
- правила, которым должна следовать электростанция.
Некоторые электростанции могут сбрасывать его в поверхностные водохранилища или на свалки. Другие могут сбрасывать его в близлежащий водный путь в соответствии с разрешением завода на сброс воды.
Угольная зола также может быть переработана в такие продукты, как бетон или стеновые панели.
Сколько там угольной золы?
Угольная зола является одним из крупнейших видов промышленных отходов, образующихся в Соединенных Штатах. Согласно отчету об исследовании производства и использования продуктов сгорания угля Американской ассоциации угольной золы, в 2014 году было образовано почти 130 миллионов тонн угольной золы.
Почему угольная зола используется повторно?
Повторное использование угольной золы может обеспечить множество экологических, экономических и производственных преимуществ, включая:
- Экологические преимущества , таких как сокращение выбросов парниковых газов, снижение потребности в захоронении на свалках и сокращение использования других материалов.
- Экономические выгоды , такие как снижение затрат, связанных с утилизацией угольной золы, увеличение доходов от продажи угольной золы и экономия от использования угольной золы вместо других, более дорогостоящих материалов.
- Преимущества продукта , такие как повышенная прочность, долговечность и обрабатываемость материалов.
Для получения дополнительной информации посетите веб-страницу повторного использования угольной золы.
Почему EPA регулирует содержание угольной золы?
Угольная зола содержит такие загрязняющие вещества, как ртуть, кадмий и мышьяк.
Без надлежащего управления эти загрязняющие вещества могут загрязнять водные пути, грунтовые воды, питьевую воду и воздух.
Необходимость принятия федеральных мер для обеспечения безопасного удаления угольной золы была подчеркнута крупными разливами возле Кингстона, Теннесси, и Идена, Северная Каролина, которые нанесли значительный экологический и экономический ущерб близлежащим водотокам и объектам.
- Кингстон, Теннесси
- Эдем, Северная Каролина
Для устранения рисков, связанных с неправильным удалением и сбросом угольной золы, Агентство по охране окружающей среды установило национальные правила удаления угольной золы и ужесточает существующие меры контроля за сбросами воды. Для получения дополнительной информации посетите следующие веб-страницы.
- Правила безопасного удаления угольной золы
- Водные нормы по сбросам электростанций
Свяжитесь с нами, чтобы задать вопрос, оставить отзыв или сообщить о проблеме.
Последнее обновление: 27 февраля 2023 г.
Информационный бюллетень USGS 076-01: Продукты сжигания угля
Информационный бюллетень USGS 076-01: Продукты сжигания угля США Геологическая служба
Информационный бюллетень 076-01
Интернет-версия 1.0
Продукты сжигания угля
По Русту С. Калёнку и Дональд В. Олсон
Электростанции, работающие на угле, которые обеспечивают более половины электроэнергии США , также производят продукты сгорания угля, которые могут быть как ресурсом, так и проблемой утилизации. U.S. Геологическая служба сотрудничает с Американской ассоциацией угольной золы в подготовке ежегодного отчета о продуктах сжигания угля (Kalyoncu, 2000).
Этот информационный бюллетень отвечает на вопросы о существующем и потенциальном использовании продуктов сгорания угля.
Что такое продукты сгорания угля?
Продукты сгорания угля (ПСУ) представляют собой неорганические остатки, которые остаются после сжигания пылевидного угля. Крупные частицы (зольный остаток и котельный шлак) оседают на дно камеры сгорания), а мелкая часть (зола-унос, рис. 1) удаляется из дымовых газов с помощью электрофильтров или других систем газоочистки.| Рисунок 1. Летучая зола силовых установок содержит крошечные керамические шарики, обычно диаметром от 5 до 75 микрометров, которые называются ценосферами; у них много применений. Сканирующая электронная микрофотография Американской ассоциации угольной золы. |
Из-за опасений по поводу качества воздуха и кислотных дождей Конгресс США принял поправки к Закону о чистом воздухе 1990 года (публичный закон 101-549), которые включали строгие ограничения на выбросы оксида серы.
Большинство электроэнергетических компаний в Восточных и Среднезападных штатах используют битуминозный уголь с высоким содержанием серы 2-3,5%. Чтобы соответствовать стандартам выбросов, многие коммунальные предприятия установили оборудование для десульфурации дымовых газов (ДДГ). Продукты ДДГ входят в состав продуктов сжигания угля. Компоненты ПГУ следующие: летучая зола, 57%; продукты ДДГ — 24%; зольный остаток 16%; и котельный шлак — 3%.
Что такое обессеривание дымовых газов?
Десульфурация дымовых газов — это химический процесс удаления оксидов серы из дымовых газов на электростанциях, работающих на угле. Многие методы FGD были разработаны для различных стадий применимости (Radian Corp. , 1983). Их цель состоит в химическом объединении сернистых газов, выделяющихся при сжигании угля, путем их взаимодействия с сорбентом, таким как известняк (карбонат кальция, CaCO 3 ), известь (оксид кальция, CaO ) или аммиак ( NH 3 ).
В 90% систем ДДГ в США в качестве сорбента используется известняк или известь ( рис. 2). Когда дымовой газ вступает в контакт с суспензией солей кальция, диоксид серы ( SO 2 ) реагирует с кальцием с образованием водного сульфата кальция ( CaSO 4 2H 2 O , гипс). .Рис. 2. Блок-схема процесса десульфурации дымовых газов на основе извести ( CaO ) или известняка ( CaCO 3 ), которые являются сорбентами, используемыми в 90 процентах систем ДДГ в Соединенных Штатах. |
Какое количество CCP генерируется?
Около 100 миллионов метрических тонн ( Мт ) ПГУ ежегодно производится электростанциями США, работающими на угле.Для чего используются КПК?
В Соединенных Штатах в 1999 г.
примерно 30% КПК использовались, а не выбрасывались. Использование CCP с годами увеличилось и в 1999 году составило чуть более 30 Мт ( рис. 3). Летучая зола является наиболее часто используемым CCP; в 1999 г. она составляла около 64 процентов от общего числа используемых КПК ( рис. 4). CCP используются, в уменьшении тоннажа, в цементе и бетоне, конструкционном заполнении, основаниях дорог, сельском хозяйстве и других применениях. Компоненты CCP обладают различными химическими и физическими свойствами, что делает их пригодными для различных применений (Kalyoncu, 2000):- Около 57 Мт летучей золы было произведено в 1999 году, и около 19 Мт было использовано. Основное применение было в бетоне, конструкционном заполнении и стабилизации отходов.
- В 1999 г. было произведено около 15 млн т зольного остатка, а использовано около 5 млн т . В основном они использовались для заполнения конструкций, борьбы со снегом и льдом, дорожных оснований и бетона.
- В 1999 г. было произведено около 22 Мт материала ДДГ и около 4 Мт было использовано, в основном в производстве стеновых плит.
- Около 2,6 млн тонн котельного шлака было произведено в 1999 году и около 2,1 млн тонн было использовано, в основном, для дробеструйных работ и кровельных работ.
Рисунок 3. Количество продуктов сжигания угля, использованных в США, 1995-99 гг. Данные Американской ассоциации угольной золы. |
| Рисунок 4. Использование продуктов сгорания угля по типам в США, 1999 г. Данные Американской ассоциации угольной золы. |
В каких конструкциях используется летучая зола?
Летучая зола добавляется в цемент и бетон и используется во многих крупномасштабных строительных проектах.
Летучая зола является жизненно важным компонентом высокопрочного бетона в зданиях, которые украшают горизонты крупных городов США . Бетон с летучей золой используется в настилах и опорах многих автодорожных мостов. Бетонные покрытия, содержащие летучую золу, очень долговечны и экономичны. Между 1950 и 1970, бетон с содержанием летучей золы до 50 процентов использовался примерно в 100 крупных проектах по строительству плотин. Например, при строительстве плотины «Голодная лошадь» в 1953 г. было использовано 120 000 метрических тонн летучей золы ( рис. 5). Рисунок 5. Плотина Hungry Horse, штат Монтана, представляет собой толстоарочное сооружение, построенное в период с 1948 по 1953 год из бетона, содержащего 120 000 метрических тонн летучей золы. Использование летучей золы угля в цементе и бетоне вытесняет портландцемент. Фотография с США Бюро мелиорации. |
Каковы преимущества использования CCP во всех приложениях?
Использование ПГУ дает значительные экологические и экономические преимущества. Их долгая история успешного применения свидетельствует об экологической приемлемости CCP. При использовании ПГУ природные ресурсы могут сохраняться дольше, а затраты на добычу могут быть снижены. В 1999 году продуктивное использование 30 Mt CCP сэкономил 620 миллионов долларов на затратах на утилизацию и около 350 акров площади для захоронения отходов и получил 150 миллионов долларов продаж, в результате чего общая прибыль составила 770 миллионов долларов.. . . в цементе и бетоне?
Наиболее широко CCP (в основном летучая зола) используются в цементе и бетоне. CCP вытесняет портландцемент и значительно снижает выбросы двуокиси углерода ( CO 2 ), парникового газа, который может быть связан с глобальным потеплением.
Производство портландцемента требует сжигания ископаемого топлива и разложения карбонатов, что приводит к выбросу большого количества углекислого газа в атмосферу. Использование ПГУ потенциально может снизить выбросы углекислого газа на 10-14 Мт ежегодно. В 1998 году 10,5 млн тонн летучей золы было использовано в производстве цемента и бетона, заменив 7 млн тонн портландцемента и тем самым сократив выбросы двуокиси углерода на 7 млн тонн .. . . в шахтной рекультивации?
Большие полости, оставленные подземными горными работами, делают землю подверженной просадке. Кислые воды, стекающие из некоторых подземных шахт, попадают в поверхностные водотоки и снижают pH , нанося серьезный экологический ущерб. Демонстрационные проекты показали, что закачка щелочных ККТ в заброшенные шахты может помочь контролировать оседание грунта и уменьшить дренаж кислотных шахт.. . . в производстве стеновых панелей?
В 1999 году около 2,8 Мт синтетического гипса, произведенного электроэнергетическими компаниями в качестве материала ДДГ, пошло на производство стеновых плит.
Синтетический гипс соответствует требованиям, предъявляемым к производству стеновых панелей, а зачастую и превосходит их. Некоторые заводы по производству стеновых панелей, которые будут использовать 100-процентный синтетический гипс, строятся, а некоторые уже начали производство (Drake, 1997; Olson, 2000). В 1999 г. на долю синтетического гипса приходилось около 17 процентов всего гипса, используемого в производстве стеновых плит, и ожидается, что эта цифра будет расти.Как можно использовать ценосферы в летучей золе?
Летучая зола содержит крошечные полые керамические частицы в виде частиц, обычно диаметром от 5 до 75 микрометров, которые называются ценосферами ( рис. 1). Они обладают некоторыми уникальными свойствами, такими как высокое поглощение энергии, что обеспечивает защиту от электромагнитных помех. Они используются в качестве наполнителей в композиционных материалах, в изоляции и в красках. Потенциальное применение ценосфер — теплоотражающие покрытия для крыш.
Широкое использование таких покрытий могло бы снизить среднюю городскую температуру летом и уменьшить потребность в кондиционировании воздуха.Как ДДГ сульфата аммония можно использовать в сельском хозяйстве?
В популярном в Европе методе десульфурации дымовых газов в качестве сорбента используется аммиак ( NH 3 ); продуктом ДДГ является сульфат аммония (( NH 4 ) 2 SO 4 ). Сульфат является предпочтительной формой серы, легко усваиваемой сельскохозяйственными культурами, а сульфат аммония является идеальным сульфатным соединением для почвенных добавок, поскольку он также обеспечивает азот из аммония. Использование сульфата аммония в крупномасштабных рецептурах удобрений постепенно растет. Этот рост обеспечивает рынок для продуктов ДДГ и может сделать процессы ДДГ, основанные на аммиаке, привлекательными альтернативами процессам, основанным на извести и известняке. Предполагаемый мировой ежегодный дефицит элементарной серы в размере почти 11 Мт для сельскохозяйственных применений может быть восполнен за счет 45 Мт сульфата аммония (Ellison, 1999).
Такое большое количество продуктов ДДГ может быть получено в результате производства 170 000 мегаватт-часов (МВтч) электроэнергии, если электростанции будут сжигать уголь, содержащий 2,5-3 процента серы. Относительно крупная электростанция вырабатывает 1000 МВтч электроэнергии в год. Таким образом, 170 крупных электростанций, сжигающих высокосернистый уголь и использующих методы ДДГ на основе аммиака, могли бы производить количество сульфата аммония, необходимое для полноценного питания растений.
Какие исследования проводятся?
Недавние экологические нормы вынудили электроэнергетику использовать горелки с низким энергопотреблением NO X («низкое NO X » — это обозначение горелок, которые значительно сокращают выбросы оксидов азота). Эти горелки оставляют некоторое количество угля несгоревшим, что приводит к более высокому содержанию свободного углерода в летучей золе и делает золу непригодной для использования в цементе и бетоне.
Многие электростанции, которые раньше могли получать доход от продажи летучей золы, должны были платить за ее утилизацию. Однако новая технология, разработанная в Университете штата Пенсильвания, позволяет отделить несгоревший уголь от летучей золы и вскоре решить эту проблему. Кроме того, уголь из процесса разделения активируется паром при температуре 850° C и может использоваться в водо- и газоочистке. Коммунальные предприятия будут продолжать искать технологии предотвращения загрязнения, которые будут давать меньшее количество продуктов ДДГ, которые будут более чистыми и более ценными, чем те, которые производятся в настоящее время. Примером может служить завод по газификации Dakota Basin Electric Cooperative в Beulah, N. Dak. , где мокрый процесс ДДГ на основе аммиака используется для удаления при сжигании непригодного для продажи топлива, полученного в результате газификации лигнита. Полученный сульфат аммония продается и используется в качестве смеси серы в производстве удобрений.
Исследовательские усилия по поиску новых приложений и расширению использования CCP продолжаются. Исследователи из Университета Южного Иллинойса в Карбондейле работают над конструкцией опор для электропередач, изготовленных из CCP и органических связующих. Исследователи ожидают, что конечный продукт будет сравним или даже превосходит традиционные деревянные столбы, покрытые креозотом. В дополнение к устранению необходимости защиты от атмосферных воздействий креозотом, который загрязняет дождевые стоки, столбы CCP будут огнеупорными и защищенными от термитов, будут дешевле в установке и будут более устойчивы к повреждениям людьми и животными. Подсчитано, что 250 000 шестов средней высотой 30-40 футов (9-12 метров) в высоту и еще один миллион шестов высотой 15-30 футов (4,5-9 метров) используются ежегодно только на Среднем Западе США. Замена деревянных столбов на столбы CCP может удвоить использование летучей золы, сохраняя при этом миллионы деревьев ежегодно.
Какие существуют препятствия для использования КПК?
Существует множество технических, экономических, нормативных и институциональных барьеров на пути более широкого использования ККТ.
Отсутствие стандартов и руководств для конкретных приложений возглавляет список технических барьеров. Транспортные расходы ведут к экономическим барьерам, которые ограничивают отгрузку CCP радиусом примерно 50 миль (80 километров) от силовых установок.Возможности отрасли по переработке ККТ могут быть ограничены более строгим экологическим контролем. В апреле 2000 г. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) заявило, что использование ККТ не гарантирует регулирующего надзора, но оставило возможность для более строгого регулирования ККТ в будущем. Несколькими неделями позже EPA чуть не вынесло постановление, которое классифицировало бы CCP как опасные отходы в соответствии с Законом о сохранении и восстановлении ресурсов (RCRA). В мае 2000 года Агентство по охране окружающей среды подтвердило свою позицию о том, что ККТ неопасны.
Экологическое регулирование может также привести к созданию низкокачественных и менее пригодных для использования ККТ. Как упоминалось выше, требуемое использование маломощных горелок привело к тому, что летучая зола имеет содержание несгоревшего угля, что делает ее непригодной для бетона; пока не будут применены новые технологии, эту летучую золу необходимо использовать в других продуктах или утилизировать.
Другими препятствиями для использования ККТ являются определение RCRA ТПК как твердых отходов, независимо от их состава, даже когда они используются в качестве ресурсов, а не утилизируются; отсутствие государственного стимула; и отсутствие образования среди групп пользователей (инженеров, подрядчиков и регулирующих органов).
При сотрудничестве промышленности и правительства шаги по расширению использования ККТ могут включать (1) создание инфраструктуры исследований и разработок для устранения технических барьеров на пути использования ККТ и разработки инновационных методов ДДГ и (2) предоставление объективной научной информации.
Каков итог?
Продукты сгорания угля имеют множество экономических и экологически безопасных применений. Например, в строительстве метрическая тонна летучей золы, используемая в цементе и бетоне, может сэкономить эквивалент барреля нефти и уменьшить выбросы углекислого газа, которые могут повлиять на глобальное потепление.
Использование CCP экономит место на свалке. ПГУ могут заменить глину, песок, известняк, гравий и природный гипс, тем самым сохраняя природные ресурсы страны и помогая экономить энергию и другие затраты, связанные с добычей полезных ископаемых.Ссылки Процитировано
Дрейк, Роберт, 1997, Заводы по производству стеновых панелей для использования 100% синтетического гипса: Rock Products, v. 100, no. 8, с. 7.Эллисон, Уильям, 1999 г., Обновленная информация об основных коммерческих достижениях ДДГ аммиака: Международная техническая конференция по использованию угля и топливным системам, 24-я, Клируотер, , штат Флорида, , 8–11 марта 1999 г., Препринт материалов.
Калёнку, Р.С. [2000], Продукты сгорания угля: U.S. Ежегодник полезных ископаемых Геологической службы США, 1999 г., v. 1, доступен в Интернете по адресу http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/coal/874499.
pdf.
Олсон, Д.В. [2000], Gypsum: U.S. Ежегодник полезных ископаемых геологической службы США, 1999 г., v. 1, доступно на сайте http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gypsum/320499.pdf.
Radian Corporation, 1983, Оценка и состояние систем десульфурации дымовых газов, Исследовательский проект 982–28: Остин, , Техас, , Заключительный отчет, 631 , с.
За дополнительной информацией обращайтесь:
| Русту С. Калёнку Специалист по продуктам сгорания угля США Геологическая служба 983 Национальный центр 12201 Санрайз Вэлли Драйв Рестон, Вирджиния 20192-0002, США А. Телефон: 703-648-7720 Факс: 703-648-7722 Электронная почта: [email protected] Дональд В. Олсон |
