Атака на серу

Дальнейшее масштабное наращивание мощностей электростанций и котельных на угле невозможно без решения экологических проблем, связанных с использованием угля. О восстановлении ландшафта уже говорилось. Эта цель достижима. А вот удастся ли очистить дымовые газы - пока еще не до конца ясно. Так, на конденсационных электростанциях, удаленных от городов (так как они не производят тепла), при сжигании за один час 1000 тонн низкосортного донецкого угля выбрасывается:

34 тонны шлака;

200 тонн золы;

230 тоны двуокиси углерода;

10 тонн окислов азота;

25 тонн двуокиси серы;

2 тонны золы летучей, не пойманной фильтрами.

Особенности углей различных месторождений создают дополнительные трудности. Например, зольность экибастузского угля достигает 50 процентов, причем зола плохо улавливается электрофильтрами. Пришлось создавать двухступенчатую систему очистки. На первой ступени газ увлажняется в особой камере (скруббере), снижается его температура, частично улавливается зола. Меняются также и электрофизические свойства остающейся золы, и электрофильтры второй ступени начинают работать эффективнее. В создаваемых установках тщательность очистки ожидается на уровне 99 процентов.

Атака на серу

Очень сложно и дорого улавливать окислы азота. Как сделать, чтобы их образовывалось поменьше? Для этого предлагается снижать температуру в топке, используя в топочной камере рециркулирующие дымовые газы, воду или пар, практикуя двухступенчатое сжигание топлива или ограничивая доступ воздуха в зону горения.

Но под особым прицелом специалистов находится двуокись серы.

Видимо, недаром в различных поверьях "серный дух" связан с нечистой и коварной силой. Если не удастся предотвратить выбросы окислов серы, то под вопросом окажется сама возможность крупномасштабного развития угольной энергетики.

Существующие установки по удалению серы дороги, громоздки и несовершенны. Работают они так: через большую емкость снизу вверх подаются дымовые газы, выходящие из электрофильтра. Навстречу им сверху из форсунок разбрызгивается известковый раствор карбоната кальция. Двуокись серы взаимодействует с известью и образует твердый шлам - сульфиты и сульфаты кальция.

Недостаток этого способа - очень медленное течение процесса. Ведь для эффективного удаления двуокиси серы нужно, чтобы ее контакт с известковым раствором был как можно длительнее. Поэтому для электрических станций мощностью всего в 150 мегаватт приходится строить скрубберы в 10 метров диаметром и 20 метров высотой.

Размеры очистных установок и затраты на их эксплуатацию пропорциональны содержанию серы в углях. К счастью, в нашей стране преобладают малосернистые угли, в то время как угольные месторождения США содержат серы в два-три раза больше. Из-за этого энергетики США издавна вынуждены были заниматься сероулавливающими установками, накопили большой опыт, который нельзя назвать удовлетворительным. Сооружения очень дорогие. Их стоимость достигает половины стоимости всей станции, где сжигаются высокосернистые угли!

Уже в 1980 году на станциях США ежегодно скапливалось 200 миллионов тоны шламов - сульфатов кальция. А ведь их нужно куда-то девать, тратить средства на закапывание и рекультивацию. На других ГРЭС и ТЭЦ пытаются применять такие поглотители двуокиси серы, как озонированная жидкость, аммиак, известь, магнезит.

В нашей стране стоимость сероулавливающих установок достигает 25-35 процентов от стоимости станции, и для каждой ТЭС мощностью в миллион киловатт абсолютные затраты на сероочистку составляют 80-120 миллионов рублей! Чтобы снизить такие огромные расходы, надо искать принципиально новые решения.

Делаются попытки удалить серу из угля еще на углеобогатительных фабриках. Опробовано несколько способов, но эффективность их низка. Правда, в одной из недавних статей американские исследователи сообщают, что при использовании ультразвука эффективность отделения от угля серосодержащих частиц, в том числе серного колчедана, в двадцать раз больше.

Некоторые бактерии способны питаться серой, содержащейся в каменном угле. Предположим, измельченный уголь обрабатывается водой, насыщенной этими микроорганизмами. Тогда есть надежда удалить большую часть серы при транспортировке угольной суспензии в углепроводах (в это время микробы будут делать свое дело).

Канадская фирма "Конкорд Сайентифик" разработала процесс одновременной очистки дымовых газов как от окислов серы, так и от окислов азота. При этом применяется ультрафиолетовое излучение, под воздействием которого окислы превращаются в сульфаты и нитраты - готовые удобрения. По уверениям фирмы, очистные установки обходятся якобы почти в четыре (!) раза дешевле обычных, а эксплуатационные расходы меньше на 80 процентов. Впрочем, не выдается ли здесь желаемое за достигнутое?

Сероочистка удешевится, если бы удалось выделить серу в чистом товарном виде и тем самым частично окупить затраты. Подобный способ испытывается на одной из молдавских ТЭС. Проблема удаления и выделения серы важна также для нефти и газа. Если сквозь нефть пропускать водород, он соединяется с серой и образует сероводород, который сжигают, теряя при этом как водород, окисляющийся до воды, так и серу, выбрасываемую в виде двуокиси. Между тем сера - ценный продукт для производства серной кислоты, сульфита целлюлозы и других продуктов, и мы закупаем его на мировом рынке.

Новый принцип, который апробируется ныне на Дрогобычском нефтеперерабатывающем заводе, был предложен учеными Института атомной энергии имени И. В. Курчатова, исследовавшими свойства низкотемпературной плазмы - смеси свободных электронов и ионизированных атомов. Одно из направлений исследований, получившее название "плазмохимия", возглавил в институте академик В. А. Легасов. Почему бы, задумались плазмохимики, не утилизировать сероводород, образующийся при гидроочистке нефти? Ведь если удастся "дешево", то есть затрачивая мало энергии, в высокопроизводительной установке "развалить" сероводород на водород и серу, то проблема очистки "черного золота" решается очень красиво: водород вновь используется для очистки следующей порции углеводородного сырья, а сера отгружается для производства серной кислоты.

Как и всякое вещество, сероводород можно "развалить" на составляющие простым нагреванием. Потребуется довести температуру до 1500°С. Тогда разорвутся электронные связи атомов водорода и серы. Затем смесь нужно охладить, но пи в коем случае не медленно, ибо иначе по мере понижения температуры водород и сера опять начнут соединяться, образуя сероводород. Выход есть - так резко охладить смесь, чтобы атомы водорода и серы просто не успели соединиться. В специальных установках температура снижается на тысячи градусов за доли секунды, но это требует много энергии.

Но когда сотрудники Института атомной энергии использовали сверхвысокочастотное электромагнитное излучение, картина существенно изменилась. Через трубу из кварцевого стекла, пропускающего СВЧ-излучение, проходит поток сероводорода. Электромагнитное излучение, пронизывающее этот поток, отдает энергию не на разогрев молекул газа, а на "раскачивание" атомов водорода и серы относительно друг друга вплоть до разрыва связи между ними. В результате удается убить сразу двух зайцев: во-первых, температура газа остается низкой и после выхода из зоны излучения не происходит рекомбинаций - образования снова сероводорода; а во-вторых, затраты энергии на "развал" молекулы минимальны.

Опытная установка на дрогобычском комбинате работает. Дело - за широким промышленным внедрением принципиально нового метода.