В.Д. Осипенко, канд. техн. наук, В.В. Осипенко, Г.П. Брахнов, Е.П. Дворников, инженеры, И.А. Вольчин, канд. техн. наук, А.А. Потапов, инж.

НПП «Днепроэнергосталь» – НПП «Промэнерго» – ИУЭ НАН и Минтопэнерго Украины

Теплоэнергетическая отрасль, в состав которой входят тепловые электростанции (ТЭС), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), котельные промышленного и коммунального назначения, в значительной мере загрязняет воздушный бассейн [1]. В Украине доля теплоэнергетики в атмосферных выбросах от стационарных источников всех отраслей экономики превышает 50%.

Перевод в 1980-е гг. многих теплоэнергетических предприятий на преимущественное использование природного газа позволил существенно сократить выбросы твёрдых частиц и оксидов серы. Однако из-за отсутствия в Украине собственных значительных месторождений природного газа и роста цен на него происходит обратный процесс перевода котлоагрегатов на сжигание отечественного твёрдого топлива, имеющего высокое содержание золы и серы. Так, например, в 2001 г. доля угля в топливном балансе крупных ТЭС превысила 60%, а в 1990 г. она составляла только 33%. При росте выработки электроэнергии и тепла такая тенденция приведёт к повышению загрязнения воздушного бассейна пылью и оксидами серы, что для промышленных регионов Украины является критичным и недопустимым.

Оценивая качественную и количественную характеристику выбросов ТЭС, необходимо чётко представлять, что, с учётом имеющихся на сегодняшний день технических решений в сфере защиты окружающей среды, негативные экологические последствия выбросов ТЭС не являются неизбежными. Существующие в мире газоочистные аппараты и применяемые схемы их работы позволяют очистить отходящие газы до уровня содержания вредных веществ, при котором они будут сравнительно безопасны для окружающей среды.

Наибольшие объёмы выбросов ТЭС приходятся на оксиды серы и азота и твёрдые частицы. На сегодняшний день большинство котлоагрегатов, работающих на твёрдом топливе, оснащены только установками пылеочистки: электростатическими фильтрами (ЭСФ), мокрыми скрубберами, батарейными циклонами и др.

Учитывая наличие в котельных агрегатах систем пылеочистки, первым шагом к достижению европейских норм очистки уходящих газов [2] должно быть обеспечение высокоэффективной очистки отходящих газов от пыли, чтобы концентрация твёрдых частиц в дымовых газах не превышала 30 г/нм³ для новых котлов и 50 мг/нм³ для существующих. Это будет также способствовать выполнению страной требований Протокола по тяжёлым металлам 1997 г. к Конвенции о трансграничном загрязнении атмосферы на большие расстояния 1979 г.

В настоящее время в отечественной практике самый распространённый пылеочистной аппарат – ЭСФ. Анализ опыта использования их показывает, что эти аппараты могут обеспечить довольно высокую эффективность очистки газов ТЭС только при определённых условиях эксплуатации [3], а именно – низкой скорости газового потока, относительно крупных размерах частиц пыли, оптимальном удельном сопротивлении её, оптимальном режиме встряхивания электродов, отсутствии вторичного уноса и т.д. Даже незначительное изменение одного из вышеперечисленных параметров приводит к снижению эффективности работы ЭСФ. Отрицательное влияние на его КПД оказывает также неравномерность концентрации твёрдых частиц по сечению фильтра на ТЭС Украины.

Следует учесть, что пылеулавливающие установки, проработавшие, как правило, более 200 тыс. ч в условиях повышенной запылённости, из-за высокой степени физического износа имеют эффективность ниже паспортной. Они не удовлетворяют современным европейским экологическим требованиям. Реальный КПД существующих ЭСФ ТЭС Украины находится в пределах 90-98%. С учётом реальной запылённости отходящих газов на входе пылеулавливающей установки на уровне 40-50 г/м³ выходная концентрация твёрдых частиц будет составлять от 800 до 5000 мг/нм³, что намного хуже европейских стандартов.

Для кардинального повышения эффективности ЭСФ необходимо проводить его реконструкцию или замену с достижением КПД порядка 99,9%, что весьма недёшево; или применять вторую ступень очистки, что в условиях действующего производства достаточно дорого и не всегда возможно.

В зарубежной практике для очистки отходящих газов ТЭС всё шире применяются рукавные фильтры. Это обусловлено возрастающими требованиями к защите окружающей среды, с одной стороны, и высокими технико-экономическими показателями работы рукавных фильтров, с другой.

По имеющимся сведениям, только в США на ТЭС уже используется более 100 крупных рукавных фильтров и ещё несколько находятся в стадии строительства. Такая же тенденция наблюдается и в Европе [4].

Теоретическая эффективность работы рукавного фильтра зависит только от свойств ткани, применяемой для изготовления фильтрующих элементов, и практически не зависит от показателей пылегазового потока. Длительное время их повседневное применение в теплоэнергетике сдерживалось отсутствием фильтровальных тканей, способных выдерживать высокие температуры, значительную влажность и присутствие в газах агрессивных компонентов – окислов серы, азота, хлороводорода и др. Отрицательно на эффективность использования ткани сказывается также и высокое содержание в отходящих газах смолистых веществ, образующихся при розжиге котла мазутом. Кроме этого, пассивное отношение к применению рукавных фильтров было вызвано тем, что при существовавших конструкциях фильтров усложнялась эксплуатация технологического оборудования электростанций.

В настоящее время разработаны такие конструкции рукавных фильтров с подбором таких тканей, которые позволяют устранить указанные недостатки при работе фильтров за котлоагрегатами ТЭС [5]. Так, например, фильтры типа ФРИР с импульсной регенерацией позволяют производить замену рукавов без остановки котлоагрегатов. Такие аппараты уже широко применяются в чёрной металлургии. Эффективность очистки газов от высокодисперсной пыли возгонного характера, образующейся при работе сталеплавильных агрегатов, превышает 99,9%. Остаточная запылённость при этом не превышает 10 мг/м³. Стойкость фильтровальных элементов (рукавов) при правильно подобранных материалах сохраняется от 4 до 5 лет.

В табл. 1 приведены характеристики некоторых фильтровальных материалов, которые широко применяются для очистки газов в теплоэнергетике большинства европейских стран. Особо следует обратить внимание на такие параметры ткани, как температурная стойкость, которая колеблется в пределах от 100 до 280 ^оС. Специальная обработка тканей (пропитка) придаёт материалу не только химическую стойкость, но и масло- и влагоотталкивающие свойства.

Вид волокон	Стойкость по отношению к гидролизу	Кислотостойкость	Стойкость по отношению к щёлочам	Температура рабочая/пиковая
Полипропилен	Отлично	Отлично	Отлично	90 оС / 110 оС
Полиамид	Плохо	Удовлетвор.	Хорошо	110 оС / 115 оС
Полиэстер	Плохо	Удовлетвор.	Плохо	150 оС / 150 оС
Полифенилсульфид	Отлично	Отлично	Отлично	190 оС / 200 оС
Полимид	Хорошо	Хорошо	Удовлетвор.	240 оС / 260 оС
Политетрофторэтилен	Отлично	Отлично	Отлично	250 оС / 280 оС

Кроме того, применение рукавных фильтров позволяет производить очистку газов и от некоторых химических компонентов, в частности, от оксидов серы. Например, по технологии NID (Nova Integrated Desulfurisation) – новой интегрированной десульфуризации, разработанной специалистами Alstom Power Flaekt (Швеция) и внедрённой на ряде ТЭС Польши. Она осуществляется путём введения в газовый поток перед рукавным фильтом растворов или водных суспензий сорбентов, которые связывают сернистые соединения и улавливаются фильтрующим материалом рукавов. В качестве реагентов для улавливания сернистых соединений при такой схеме газоочистки могут быть использованы щелочные отходы других производств.

В табл. 2 приведены наиболее типичные параметры работы системы очистки отходящих газов ТЭС с применением рукавных фильтров, реализованные на одной из тепловых электрических станций Словакии.

Параметр	Значение до фильтра	Значение после фильтра
Запылённость, мг/нм3	26000	10
Система регенерации	Импульсная
Площадь фильтрации, м2	25 500
Газовая нагрузка, м3/(м2*мин)	1,10
Производительность, нм3/ч	1 086 190
Температура, оС (пиковая)	150 (180)
Компоненты отходящих газов:
H2O	16 об.%	-
SO2	500 мг/нм3	150 мг/нм3
NO2	400 мг/нм3	380 мг/нм3
Дата пуска в эксплуатацию	Январь 1998 г.
Тип материала рукавов	Needlona PPS/PPS 551

Приведенные данные свидетельствуют, что применение рукавных фильтров на ТЭС позволит обеспечить уровень остаточной запылённости, соответствующий перспективным технологическим нормативам выбросов (в соответствии с новой редакцией «Закона Украины об охране атмосферного воздуха» от 21.06.2001 г.).

Институтом угольных энерготехнологий НАН и Минтопэнерго Украины, НПП «Промэнерго», г. Донецк и НПП «Днепроэнергосталь», г. Запорожье проведены предпроектные проработки по реконструкции существующих систем газоочистки ТЭС, направленные на повышение степени очистки дымовых газов от пыли и оксидов серы, с использованием рукавных фильтров типа ФРИР большой производительности.

В предлагаемой технологической схеме предусмотрено впрыскивание 5% известкового молока в газоход перед рукавным фильтром через специальные форсунки, обеспечивающие мелкодисперсное распыление.

В газоходе до момента испарения влаги на поверхности капель будут протекать химические реакции [6]:

SO₂ + Ca(OH)₂ = CaSO₃ * 1/2 H₂O + 1/2 H₂O,

SO₂ + Ca(OH)₂ * 1/2 O₂ = CaSO₄ * 2 H₂O.

В зависимости от начальной запылённости дымовых газов технологическая схема может строиться по двум вариантам:

при начальной запылённости ниже 20 г/м³ можно устанавливать рукавный фильтр взамен существующего электрофильтра;

при большой начальной запылённости (не менее 20 г/м³) целесообразно установить предварительный пылеуловитель, например циклон, или оставить два поля ЭСФ, после чего установить рукавный фильтр с импульсной регенерацией.

В обоих вариантах непрореагировавшая известь осядет на рукавах рукавного фильтра и свяжет дополнительно до 15% SO₂. Реализация такой технологической схемы позволит снизить содержание сернистого ангидрида в дымовых газах как минимум на 50-60% и обеспечить остаточное содержание пыли до 10 мг/нм³.

Ориентировочная стоимость двух рукавных фильтров ФРИР-6000 для блока 200 МВт (на общий расход дымовых газов порядка 1000 тыс. м³/ч) составит около 5000 тыс. грн. Так как габариты и масса этих рукавных фильтров меньше, чем ЭСФ, они легко встраиваются в корпуса существующих электрофильтров, что позволяет дополнительно снизить их стоимость. Известковое молоко для сероочистки может быть приготовлено на существующем оборудовании химводоочистки ТЭС. Открытым остаётся вопрос о необходимости замены дымососа на более мощный.

Таким образом, при разработке планов проведения реконструкции ТЭС следует учитывать возможность внедрения качественно новых схем очистки отходящих газов с применением рукавных фильтров нового поколения с импульсной регенерацией, которые позволят значительно улучшить как экологическую, так и экономическую ситуацию на ТЭС.

1. Клименко В.В., Клименко А.В., Терешин С.В. Сокращение выбросов малых парниковых газов как альтернатива снижения эмиссии углекислого газа. Ч. I // Теплоэнергетика. – 2002. – №6. – С. 6-12.

2. The limitation of emissions of certain pollutants into the air from large combustion plants / DIRECTIVE 2001/80/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 23 October 2001 // Official Journal of the European Communities, L 309/4, 2001

3. Старк С.Б. Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве. – М.: Металлургия, 1984. – 397 с.

4. Горячёв И.К. О разработке рукавных фильтров для теплоэнергетики // Теплоэнергетика. – 2002. – №2. – С. 74-75.

5. Ерохин О.В., Осипенко В.Д., Поставничий В.В. Патент України «Рукавний фільтр», Бюл. №6 від 17.06.2002 р.

6. Упрощённая мокросухая сероочистка дымовых газов ТЭС / И.Н. Шмиголь и др. // Теплоэнергетика. – 1996. – №8. – С. 65.

(с) Осипенко В.Д., Осипенко В.В., Брахнов Г.П., Дворников Е.П., Вольчин И.А., Потапов А.А., 2004