Раздел 4. Производство энергии при сжигании жидкого топлива

Раздел 4 Производство энергии при сжигании жидкого топлива

В таблице 4.1 представлены ТЭС отрасли электроэнергетика, сжигающие в качестве основного топлива мазут.

Таблица 4.1 - ТЭС отрасли электроэнергетика, сжигающие в качестве основного топлива мазут

Наименование ТЭС	Установленная электрическая мощность, МВт
Мурманская ТЭЦ	12
Светловская ГРЭС-2	94
Ярославская ТЭЦ-3	295
Итого 3 ТЭС, сжигающих в качестве основного топлива мазут	401

4.1 Описание технологических процессов

Жидкое топливо поставляется на ТЭС обычно железнодорожным транспортом в специальных цистернах и хранится в вертикальных стальных цилиндрических резервуарах, расположенных по противопожарным условиям на достаточном удалении от главного корпуса ТЭС. Для обеспечения слива жидкого топлива из цистерны его разогревают паром с давлением 1,2-1,6 МПа и температурой до 200-300 °C.

В зависимости от климатических условий в месте расположения объекта и типа хранимого топлива, резервуары могут потребовать оснащения системой нагрева для того, чтобы довести мазутное топливо до необходимой температуры, чтобы осуществить его перекачку и распыление в горелках. Перекачка топлива из резервуаров хранения к устройствам сжигания (котлам и ГТУ) осуществляется по наземным трубопроводам.

На паротурбинных ТЭС в качестве жидкого топлива в основном сжигается остаточный продукт перегонки нефти - мазут и значительно реже сырая или отбензиненная нефть.

Одной из важнейших характеристик мазута является вязкость. Для обеспечения текучести мазута по трубопроводам его необходимо подогревать до температуры 80-130 °C в зависимости от количества парафиносодержащих соединений в топливе.

Из резервуаров мазут насосами подается в паровые подогреватели и далее через фильтр тонкой очистки направляется к котлу, где происходит его распределение по форсункам горелок. Для обеспечения необходимой вязкости с целью качественного распыла мазут должен быть нагрет до температуры примерно от 120 до 140 °С. Чтобы улучшить сгорание мазута иногда используются добавки и присадки.

В газовых турбинах, работающих на жидком топливе, может быть использовано только очищенное жидкое топливо. Топливо должно быть доведено до необходимого давления перед тем как произойдет процесс сжигания в самой газовой турбине.

Дизельное топливо при использовании в современных газовых турбинах, требует предварительной обработки на установке подготовки топлива с целью уменьшения концентрации натрия, калия и кальция, а также удалении твердых примесей, присутствие которых являются губительным для лопастей турбины.

На газотурбинной ТЭС установка подготовки жидкого топлива включает в себя нагреватели топлива (электрического типа или с паровым контуром), а также необходимые насосы и трубопроводы.

Жидкое топливо, предназначенное для использования в газовых турбинах, должно удовлетворять следующим требованиям:

- высокая степень чистоты;

- низкая степень коррозионной активности по отношению к вспомогательным частям и узлам и к горячим лопастям турбины;

- низкая степень осадкообразования, особенно на горячих лопастях турбины.

Котельные установки для сжигания жидких и газообразных топлив конструктивно основаны на системах для факельного (пылевидного) сжигания твердого топлива. Все газообразные и жидкие топлива могут сжигаться горелками, расположенными в нижней части топки. В горелки любого типа всегда подается воздух для смешения с топливом и горения.

В то время как газообразное топливо напрямую сжигается в смеси с воздухом, жидкое топливо распыляется в топке посредством форсунок, производящих мелкие капли в результате механического процесса или при помощи вспомогательной среды (воздух или пар) под давлением. Для того, чтобы получить гомогенное горение, используются мелкодисперсные аэрозольные капли размером от 30 до 150 мкм.

Для сжигания жидких и газообразных топлив в энергетических котлах используются фронтальное, встречное, тангенциальное (или угловое) расположение горелок, установленных от одного до четырех ярусов.

При сжигании мазута должны быть учтены следующие проблемы:

- необходимость дополнительного нагрева перед распылением из-за высокой вязкости;

- склонность топлива к формированию коксовых частиц;

- формирование отложений на конвективных поверхностях нагрева;

- низкотемпературная сернистая коррозия воздухоподогревателей.

Две первые проблемы вызваны высоким молекулярным весом и асфальтеновой природой некоторых элементов, входящих в состав топлива. Вторая и третья проблема возникают из-за присутствия в топливе серы, азота, ванадия.

Как правило, доставка мазута на ТЭС осуществляется в цистернах железнодорожным транспортом. Мазут сливают из цистерн самотеком после предварительного разогрева с обеспечением температуры мазута на всасе насосов приемной емкости не ниже 60 °С:

- "острым" перегретым или насыщенным паром (подача водяного пара к днищу цистерны устройствами верхнего разогрева или через устройства нижнего слива;

- циркуляционным способом через закрытые сливные устройства нижнего слива со сливом без контакта с наружной средой;

- способом индукционного разогрева.

Емкость приемного резервуара для топлива, доставляемого железнодорожным транспортом, должна обеспечивать при аварийной остановке перекачивающих насосов прием топлива в течение 30 мин.

Перекачивание мазута по трубопроводам осуществляется только в нагретом состоянии. Это связано со способностью мазута застывать при температуре окружающей среды. Нагревание мазута в цистернах осуществляют:

- в тепляках (обогрев цистерн снаружи в специальных камерах);

- прокачкой через цистерны предварительно нагретого в специальных теплообменниках мазута;

Хранение мазута осуществляется в металлических или железобетонных резервуарах. Крышки люков в резервуарах должны быть всегда плотно закрыты на болты с прокладками. Для предотвращения растекания мазута надземные баки-резервуары хранения мазута должны обваловываться. Объем обвалования должен быть равен объему наибольшего резервуара.

Подача мазута из хранилища в котельную осуществляется по магистральным трубопроводам, снабженными параллельно проложенными трубами с паром, имеющим общую теплоизоляцию. Перед поступлением в магистральный трубопровод мазут проходит через подогреватель и фильтры грубой и тонкой очистки. Подогреватель обеспечивает оптимальную температуру и вязкость мазута. Фильтры используются для задержки примесей и предотвращения забивания узких каналов мазутных форсунок.

Для обеспечения пожаробезопасности температура подогрева мазута в открытых емкостях и при сливе из цистерн должна быть на 100 °С ниже температуры вспышки. Кроме того, все сливное оборудование, насосы и трубопроводы должны быть заземлены для отвода статического электричества, возникающего при перекачке мазута, и для защиты от воздействия молний. Также предусматривается сигнализация предельного повышения давления и повышения температуры и понижения давления топлива, подаваемого в котельную на сжигание Контроль температуры мазута в резервуарах может осуществляться при помощи ртутных термометров, устанавливаемых на всасывающем патрубке топливных насосов.

Для предотвращения загрязнения воды и почвы площадки для сливного оборудования должны быть забетонированы и иметь канавы для отвода в ловушки пролитого мазута.

Подготовка жидкого топлива к сжиганию

Система подготовки мазута к сжиганию может включать устройства для его гомогенизации и ввода в мазут жидких присадок, повышающих однородность топлива и уменьшающих интенсивность коррозии котлов [46]

Таблица 4.2 - Применяемые методы снижения выбросов ЗВ в атмосферу не требующие технического переоснащения и реконструкции при сжигании мазута

Метод	Описание
Выбор топлива	Использование мазута с низким содержанием азота, серы и низкой зольностью.
Упрощенное двухступенчатое сжигание	Метод основывается на использовании одной или нескольких горелок (предпочтительно в верхнем ярусе горелок) для подачи только воздуха с перераспределением топливной нагрузки на остальные горелки. Необходим запас мощности у горелок, которые остаются в работе
Добавление воды/пара	Вода или пар используются в качестве разбавителя для снижения температуры горения в котлах и формирования теплового NOx, либо предварительно смешивается с топливом до его сжигания (топливная эмульсия, увлажнение или насыщение), либо непосредственно вводится в горелки
Низкие избытки воздуха	Метод главным образом основывается на следующих признаках: - сведение к минимуму присосов воздуха в топку; - тщательный контроль подачи воздуха, используемого для сжигания; - сжигание топлива с регулируемым химнедожогом
Нестехиометрическое сжигание	Метод основывается на разбалансе топливовоздушного соотношения в горелочных устройствах или по ярусам горелок. Необходимо проведение наладочных испытаний с целью недопущения резкого возрастания химического недожога топлива.
Снижение температуры воздуха горения	Использование воздуха горения при температуре окружающей среды (воздух горения предварительно не нагревается в воздухоподогревателе, что может привести к снижению КПД) или байпасирование части воздуха помимо воздухоподогревателя
Одновременное сжигание мазута и природного газа	Так как в России не существует оборудования по улавливанию твердых частиц при сжигании мазута, то одновременное сжигание мазута и природного газа позволяет сократить выбросы твердых частиц и одновременно оксидов серы

4.2 Текущие уровни эмиссии в окружающую среду

Таблица 4.3 - Среднегодовые выбросы за период с 2010 по 2014 год загрязняющих веществ на ТЭС отрасли, сжигающих, в качестве основного топлива, мазут, т

Наименование ТЭС	Всего	Твердые вещества	диоксид серы	оксиды азота (в пересчете на NO2)	оксид углерода
Мурманская ТЭЦ	15580	68	13702	1748	62
Ярославская ТЭЦ-3	1800	0	147	1638	14
Светловская ГРЭС-2	1089	11	986	91	0

Выбросы загрязняющих веществ в 2015 г. на ТЭС отрасли, сжигающих, в качестве основного топлива, мазут, представлены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Выбросы загрязняющих веществ в 2015 г. на ТЭС отрасли, сжигающих, в качестве основного топлива, мазут, т

Наименование ТЭС	Всего	твердые вещества	диоксид серы	оксиды азота (в пересчете на NO2)	оксид углерода
Мурманская ТЭЦ	13680	87	11861	1683	50
Ярославская ТЭЦ-3	1619	0	47	1490	83

Анализ регламентированных и фактических уровней эмиссий показал, что фактические значения выбросов ЗВ ТЭС, использующих в качестве основного топлива мазут работают в пределах регламентированных значений.

Методология определения технологических показателей выбросов ЗВ в атмосферу НДТ сжигания топлива в целях производства энергии на КТЭУ приведена в разделе 2.2.2.

Для котельных установок сжигающих природный газ основными выбросами загрязняющих веществ являются оксиды азота (NO_x) и серы.

Анализ данных показал, что:

- Максимальное значение выбросов оксида углерода не превышает 100 мг/м³, что значительно ниже нормативных значений (300 мг/м³).

- Режимные мероприятия, не требующие реконструкции котельной установки: упрощенное ступенчатое сжигание, нестехиометрическое сжигание и работа с минимальными избытками воздуха, допустимыми по условиям разрешенной концентрации CO - внедрены практически на всех мазутных котлах.

- Содержание оксидов азота в отработавших газах ГТУ не превышают 100 мг/м³ при работе на жидком топливе. Поэтому для ГТУ и ПГУ предлагается установить технологический показатель удельных выбросов оксидов азота в атмосферу, равным 100 мг/м³.

Таблица 4.5 - Диапазон фактических значений технологических показателей выбросов ЗВ в атмосферу КТЭУ при сжигании жидкого топлива

Тепловая мощность котлов, мВт	Массовая концентрация SОх в дымовых газах при О2 = 6 %, мг/нм3*	Массовая концентрация NOx в дымовых газах при О2 = 6 %, мг/нм3*
Котельные установки, введенные по проектам, утвержденным по 31.12.1981
50-100	200-3400	250-600
более 100 до 300	200-3400	250-600
более 300	200-3000	250-600
Котельные установки, спроектированные после 01.01.1982 и введенные по 31.12.2000
50-100	700-3400	250-500
более 100 до 300	700-3400	250-500
более 300	700-3000	250-500
Котельные установки, введенные с 01.01.2001
50-100	700-1400	250-450
более 100 до 300	700-1400	250-450
более 300	700-1200	250-450
Примечание - * При нормальных условиях (температура 0 °С, давление 101,3 кПа) сухой газ

1) Для КТЭУ в составе энергообъектов I категории, введенных по проектам, утвержденным по 31.12.1981, предельные значения технологических показателей НДТ по выбросам оксидов азота и оксидов серы при сжигании жидкого топлива устанавливаются равными удельным выбросам, которые возможно достичь с применением малозатратных технологических мероприятий и режимными-наладочными мероприятиями. Анализ анкетирования показал, что эти значения не превышает 90 % КТЭУ данной группы (по мощности).

Введение более строгих ограничений для КТЭУ данной группы нецелесообразно по следующим соображениям:

- имеются технические ограничения (отсутствие площади) для применения на этих КТЭУ новых средств ограничения выбросов,

- эти КТЭУ в обозримом будущем будут выведены из эксплуатации или реконструированы в связи с относительно низкими показателями энергоэффективности, надежности, промышленной безопасности или экономической рентабельности.

Для этой группы оборудования возможны 2 альтернативных решения:

- вывод из эксплуатации в течение 14 лет;

- в результате анализа затрат и выгод и, в случае экономической целесообразности и практической возможности эксплуатации оборудования свыше 14 лет, оборудование должно быть модернизировано с выходом на технологические показатели НДТ, соответствующие требованиям ГОСТ Р 50831-95 [26].

2) Для котельных установок, спроектированных после 01.01.1982 и введенных по 31.12.2000, и для КТЭУ, введенных с 01.01.2001, предельные значения технологических показателей НДТ выбросов оксидов азота и оксидов серы принимаются на уровне достигнутом существующими технологиями в отрасли.

3) Предельные значения выбросов СО должны устанавливаться с учетом того, что применение практически всех технологических методов подавления образования оксидов азота сопровождается ростом выбросов СО. В связи с тем, что НТД снижения выбросов оксидов азота является применение именно технологических методов, предельные значения выбросов СО должны устанавливаться с учетом применения этих методов. Рекомендовано значение 300 мг/нм³ для всех типов КТЭУ.

Предельные значения технологических показателей НДТ, определенные в соответствии с описанной методологией, представлены в Приложении Г.

4.3 Определение НДТ при сжигании жидкого топлива

4.3.1 Определение наилучших доступных технологий для разгрузки, хранения и подготовки жидкого топлива

Технологии, подлежащие рассмотрению при определении НДТ для разгрузки, хранения, обработки и подготовки жидкого топлива, представлены в таблице 4.6.

Таблица 4.6 - Технологии предотвращения эмиссий в окружающую среду при разгрузке, хранении, обработки и подготовки жидкого топлива, подлежащих рассмотрению

Технология	Потенциальное снижение выбросов	Применение		Уровень опыта эксплуатации	Перекрестные влияния, ограничения применяемости
		Новые установки	Модернизированные
Обваловка наземных резервуары	Снижение риска загрязнения воды и почвы	Возможно	Возможно	Да	Нет
Системы автоматического контроля для предотвращения перелива	Снижение риска загрязнения воды и почвы	Возможно	Возможно	Да	Нет
Регулярные проверки резервуаров хранения и трубопроводов	Снижение риска загрязнения воды и почвы	Возможно	Возможно	Да	Нет

4.3.2 Определение наилучших доступных технологий снижения выбросов оксидов серы SO_х при сжигании жидкого топлива

Технологии снижения выбросов SO_х при сжигании жидких топлив, подлежащие рассмотрению при определении НДТ приведены в таблице 4.7

Таблица 4.7 - Технологии снижения выбросов SO_х при сжигании жидких топлив, подлежащие рассмотрению

Технология	Потенциальное сокращение выбросов, %	Применение		Эксплуатационный опыт	Перекрестные влияния, ограничения применимости
		Новые установки	Модернизированные
Использование мазутного топлива с низким содержанием серы	Снижение выбросов SOх в источнике	Возможно	Возможно	Да	-
Совместное сжигание жидкого топлива и газа	Снижение выбросов SOх в источнике	Возможно	Возможно	Да	Одновременное снижение выбросов NOx и CO2

4.3.3 Определение наилучших доступных технологий снижения выбросов оксида азота NO_x при сжигании жидкого топлива

Таблица 4.8 - Технологии снижения выбросов NO_x при сжигании жидких топлив, подлежащие рассмотрению

Метод	Потенциальное сокращение выбросов, %	Применимость	Эксплуатационный опыт	Перекрестные эффекты, ограничение применимости	Примечания
Сжигание с малыми избытками воздуха	10-20	При наличии контроля за содержанием СО в дымовых газах за котлом	Да	Появление СО на уровне выше допустимого в уходящих дымовых газах	Не требует реконструкции котла
Двухступенчатое сжигание	30-50	На всех котлах	Да	Повышение избытка воздуха. Повышение температуры на выходе из топки. Появляется опасность сероводородной коррозии экранных труб	Требуется монтаж сопел вторичного воздуха
Малотоксичная горелка	20-40	На всех котлах	Да	-	Требуется замена горелок
Рециркуляция дымовых газов	20-50		Да	Рост температуры перегрева Снижение КПД	Требуется реконструкция
Трехступенчатое сжигание	30-60	При наличии двух и более ярусов горелок	Да	Повышение избытка воздуха. Повышение температуры на выходе из топки	Требуется монтаж сопел третичного дутья
Комплексный метод, состоящий в объединении рециркуляции, двухступенчатого сжигания и	60-70	При наличии двух или большего числа ярусов	Да	Повышение избытка воздуха. Снижение КПД	Требуется реконструкция
Эмульгирование мазута	10-20	На всех котлах	Да	Повышение устойчивости горения факела, увеличение потерь с уходящими газами	Требуется реконструкция схемы мазутопровода в пределах мазутонасосной станции
Примечание - В малотоксичных горелках при сжигании жидкого топлива определяющим фактором является мазутная форсунка. Малотоксичной горелкой жидкого топлива можно принять горелочное устройство, которое в базовом режиме без применения остальных первичных методов обеспечивает выбросы оксидов азота менее 400 мг/м3.

4.4 НДТ при сжигании жидкого топлива

4.4.1 НДТ разгрузки, хранения и транспортировки жидкого топлива

НДТ для предотвращения эмиссий в окружающую среду при разгрузке, хранении и транспортировке жидкого топлива приведены в таблице 4.9.

Таблица 4.9 - НДТ для предотвращения эмиссий в окружающую среду при разгрузке, хранении и транспортировке жидкого топлива

Влияние	Номер НДТ	Наилучшие доступные технологии
Загрязнение воды	НДТ 4.1	- использование систем хранения жидкого топлива, которые размещаются в герметичной обваловке, емкостью, как минимум, максимального объема самого большого резервуара. Зоны хранения должны быть спроектированы таким образом, чтобы утечки из верхней части резервуара и из систем перелива могли бы быть перехвачены и находиться внутри обваловки. Должна быть предусмотрена сигнализация предельного повышения давления и повышения температуры и понижения давления топлива, подаваемого в котельную на сжигание;
	НДТ 4.2	- площадки для сливного оборудования должны быть забетонированы и иметь канавы для отвода в ловушки пролитого мазута;
	НДТ 4.3	- ливневые и талые воды должны быть собраны и обработаны в системах очистки перед сбросом или утилизироваться на ТЭС.
Пожаробезопасность	НДТ 4.4	- температура подогрева мазута в открытых емкостях и при сливе из цистерн должна быть на 15 °С ниже температуры вспышки, но не выше 90 °С;
	НДТ 4.5	- все сливное оборудование, насосы и трубопроводы должны быть заземлены для отвода статического электричества, возникающего при перекачке мазута, и для защиты от воздействия молний.

4.4.2 НДТ снижения выбросов диоксида серы SO₂ и оксида азота NO_x при сжигании жидкого топлива

НДТ снижения выбросов NO_x при сжигании жидкого топлива - применение одного или нескольких из перечисленных технологических методов:

НДТ 4.6 Режимно-наладочные методы:

- НДТ 4.6.1 Контролируемое снижение избытка воздуха.

- НДТ 4.6.2 Нестехиометрическое сжигание.

- НДТ 4.6.3 Двухступенчатое сжигание без реконструкции котла.

НДТ 4.7 Технологические методы, требующие изменения конструкции котла:

- НДТ 4.7.1 Двухступенчатое сжигание с реконструкцией котла.

- НДТ 4.7.2 Малотоксичная горелка.

- НДТ 4.7.3 Рециркуляция дымовых газов.

- НДТ 4.7.4 Технология сжигания водомазутной эмульсии.

НДТ снижения выбросов оксидов серы SO_x при сжигании жидкого топлива:

- НДТ 4.8 Использование топлива с низким содержанием серы или уменьшение доли сжигаемого мазута за счет сжигания газа.