Установки электронно-лучевой очистки отходящих газов энергетики и промышленности

Текущая ситуация в сфере очистки промышленых газовых выбросов 
Преимущества электронно-лучевого метода очистки 
Описание процесса очистки 
Экономическая перспектива и эффективность установки

Текущая ситуация в сфере очистки топочных газов

Окислы азота и серы в газовых выбросах ТЭЦ, металлургических и других производств наносят значительный экологический ущерб: кислотные дожди, закисление почв и открытых водоемов, образование смога, гибель лесов и др.

Существует несколько "болевых точек" в России, где ситуацию признают критической:

За рубежом разработаны и широко используются химические способы очистки топочных газов от окислов азота и серы (мокрое известковое удалеие окислов серы+селективное каталитическое восстановлениеокислов азота. В Германии установками химической очистки оснащено почти 100% угольных ТЭЦ. Эти установки дают высокую, порядка 90%, степень очистки. 
Канада остнастила свою металлургию установками сероочистки работающими по процессу Клауса (каталитическое восстановление окислов серы природным газом или другим органическим топливом). 

Длительный опыт эксплуатации химической очистки выявил ряд существенных недостатков химических способов очистки: 

•  установки очень дорогие (капитальные затраты составляют 25-100% от стоимости энергоблока); 
•  эксплуатационные расходы достигают 15% от мощности энергоблока; 
•  размеры установки сравнимы с размерами энергоблоков (для некоторых ТЭС даже превосходят их), что затрудняет оснащение действующих производств системами очистки; 
•  установки медленно изменяют режим работы; 
•  в результате работы установки образуются мокрые твердые отходы, требующие дальнейшей переработки. Кроме того, объем получающихся в масштабах Германии отходов таков, что их не выгодно перерабатывать и значительную часть захоранивают, как отходы. При сероочистке по методу Клауса получают серу, загрязненную углеродом. Кубы из этой серы с ребром 10м складируют в канадской тундре. 

Преимущества электронно-лучевого метода очистки

Альтернативным химическому способу очистки топочных газов является электронно-лучевой метод одновременной очистки от окислов азота и серы. Степень очистки 90-98%. 
Основные преимущества установок электронно-лучевой очистки: 

•  Полная утилизация органического топлива. Установки производят в результате очистки сухие удобрения, имеющие емкий рынок. 
•  Габариты установок электронно-лучевой очистки в несколько раз меньше установок химической очистки. Это позволяет оснащать такими установками действующие производства. 
•  Установка быстро меняет режим работы. 
•  Стоимость строящихся за рубежом установок комплексной электронно-лучевой установки очистки от окислов азота и серы на 25% ниже аналогичных установок химической очистки, а эксплуатационные затраты меньше на 25%. Согласно установившемуся мнению ученых-энергетиков электронно-лучевой процесс очистки топочных газов является основным в угольной энергетике. 

В настоящее время центрами внедрения технологии являются ЕС, Канада и Китай. Работы ведутся под патронатом МАГАТЕ, где действует специальный комитет, по внедрению электронно-лучевого процесса. МАГАТЕ рассматривает электроннно-лучевую технологию как единственный перспективный способ очистки отходящих газов, который позволяет развивать угольную энергетику и соблюдать, таким образом, режим нераспространения. 

Нами разработано оборудование, позволяющее снизить стоимость электронно-лучевой технологии. 

Предлагаемая нами установка электронно-лучевой очистки топочных газов от окислов серы, азота и пыли является самой экономичной по капитальным и эксплуатационным затратам. Позволяет значительно снизить ущерб природе, так как она превращает вредные компоненты дымовых газов в полезные продукты, в отличие от широко применяемых химических методов, продукты которых невозможно использовать без дополнительной дорогостоящей обработки

Описание процесса очистки

Передварительно очищеные электрофильтром от золы дымовые газы смешиваются с аммиаком и подаются в реактор.
Внутри реактора полученная смесь облучается пучками электронов. Радиолиз молекул смеси приводит к образованию активных радикалов, которые доокисляют SOx и NOx до кислот. При реакции этих кислот с аммиаком образуются сухие, твердые соли аммония.

Сразу после реактора пыль и частицы солей аммония, образовавшиеся в процессе очистки собираются и удаляются из потока топочных газов системой сбора. 
Очищенный газ выбрасывается в дымовую трубу. 
Соли аммония используются как удобрения для сельского хозяйства. 
Контроль степени очистки и выбор режима работы установки производятся на основании данных системы непрерывного контроля состава газа. Использование ЭВМ позволяет полностью автоматизировать работу установки электронно-лучевой очистки.

Экономическая перспектива и эффективность установки

Среди глобальных преград в развития человечества можно выделить три взаимосвязанные проблемы, которые уже сейчас играют существенную роль в мировой экономике и требуют срочного решения. Это проблемы энергообеспеченности, нехватки продуктов питания и загрязнения окружающей среды. Рост производства и численности населения в развивающихся сранах привел к обострению этих проблем, уже сейчас происходят голодные бунты, растут цены на энергоресурсы и продовольствие. Рост производства энергии приводит к загрязнению окружающей среды и к сокращению производства продуктов питания. Попытки увеличить посевные площади за счет вырубки лесов не дают долговременного эффекта, так  как  в этих странах из-за жаркого климата, остатки растений полностью перерабатываются, плодородный слой у почвы тонкий и быстро истощается. Для дальнейшей эксплуатации этих площадей необходимы минеральные удобрения.
Естественно, что та страна, которая в состоянии предложить эффективный выход из создавшегося положения, получает глобальные преимущества и возможность влиять на развитие всей мировой экономики.
Международные соглашения ограничивают выбросы окислов азота и серы. До сих пор проблема в общероссийском масштабе решалась за счет перевода энергетики на газовое топливо. В настоящий момент этот ресурс исчерпан. К 2020 году намечено увеличить в два раза количество угольных котлов в России.
Переход на угольное топливо экономически выгоден, так как стоимость газа на мировом рынке растет. На сегодняшний день производство одного джоуля энергии из угля примерно в три раза выгоднее, чем из газа. В масштабах существующего энергопотребления в России использование угольного топлива могло бы приносить до 50 миллиардов долларов  годовой прибыли за счет реализации высвободившегося газа за границей. Необходимо учесть также, что мировые запасы угля значительно превышают запасы газа.
Перевод на угольное топливо сопровождается многократным увеличением выбросов окислов азота  и серы. С такой же проблемой сталкивается развивающаяся в России цементная промышленность, там концентрация окислов азота и серы практически такая же, как и на угольных котлах. Концентрации окислов азота и серы, которые содержатся в выбросах металлургических предприятий и  горно-обогатительных комбинатов в десятки раз выше, чем в энергетике. Развитие химической промышленности сопровождается ростом газовых выбросов с содержанием тех же окислов и других вредных газовых загрязнений. 
Увеличение мощности и рост выпуска продукции в этих отраслях будет сопровождаться значительным ростом вредных газовых выбросов.
Таким образом, создание эффективной газоочистки – ключ к развитию отечественной промышленности и энергетики.

Электронно-лучевая технология очистки отходящих газов кардинально меняет ситуацию. Газоочистка становится прибыльной отраслью народного хозяйства.
В процессе очистки получаются минеральные удобрения, доходы от реализации которых в четыре раза выше затрат на исходные реагенты. Каждые 100 МВт могут приносить до 250 миллионов рублей в год при средних содержаниях  окислов серы в отходящих газах и до 750 миллионов рублей в год при больших содержаниях окислов серы.
Капиталовложения в электронно-лучевую очистку в два раза ниже, чем в химические методы, эксплуатационные затраты составляют от 0,2% до 2% установленной мощности котла. Это позволяет обеспечить окупаемость очистки за 3-4 года эксплуатации. В масштабах всей Российской энергетики прибыль от утилизации окислов серы может составить до 100 миллиардов рублей в год.
Одновременно происходит комплексная очистка от окислов азота, серы, метана, сероводорода, соляной кислоты, ароматических  углеводородов.
Внедрение электронно-лучевой очистки в нашей стране позволит дать дешевые удобрения для сельского хозяйства и эффективно решить проблему дефицита продовольствия. 
С использованием этих удобрений можно проводить рекультивацию  земель вокруг предприятий загрязнителей и, таким образом, уменьшить экологические последствия от прошлых и сегодняшних загрязнений природы.
Рынок таких систем очистки из расчета капиталовложений  1250 миллионов рублей на 100 МВт установленной мощности составляет сотни миллиардов рублей только в нашей стране и триллионы долларов за рубежом.
Только наша энергетика сможет производить до 8 млн.т в год при расчетной потребности отечественного сельского хозяйства 3 млн.т.в год. Таким образом можно будет удвоить существующие на сегодняшний момент объемы экспорта удобрений.   Тем более, что солнце вода и трудовые ресурсы для производства продовольствия во многих развивающихся густо-населенных странах – есть, не хватает только плодородия почв. 
При производстве установок электронно-лучевой очистки с одной стороны необходим отечественный потенциал высоких технологий, это позволит обеспечить работой наши ускорительные центры в Санкт-Петербурге, Томске, Новосибирске. С другой стороны, металлоемкую часть этих установок, не требующую высоких технологий, можно производить на месте. Таким образом, у нашей страны появляется устойчивая  высокотехнологичная ниша в международном разделении труда, позволяющая контролировать мировое развитие тепловой энергетики и металлургии.
Объем рынка позволяет говорить о возникновении не просто точки роста, а целой новой отрасли отечественной промышленности.

Тепловые станции составляют основу энергетического баланса России. Сегодня они вырабатывают 68% электроэнергии, к 2020г. установленная мощность ТЭС возрастет в 1,6 раза и будет составлять 64% от всех установленных электрических мощностей.
Рассмотрим структуру топливного баланса ТЭС с позиций современного рынка.
При одинаковой теплотворной способности 1 тонна природного газа стоит на мировом рынке в 3,7 раза дороже 1 тонны угля, в 5 раз дороже 1 тонны мазута. Мировые цены на газ стремительно растут в силу ограниченности его запасов, и разрыв между ценами на газ и другие виды топлива будет увеличиваться. Таким образом, получать электроэнергию, сжигая уголь, мазут, торф, экономически выгодно, но при этом в десятки раз возрастают выбросы окислов азота и серы. Следовательно, необходима недорогая и эффективная очистка дымовых газов.
В странах Евросоюза, США, Японии  угольные станции оснащены химическими системами газоочистки. Капитальные затраты на оснащение составляют 1,3$ на Вт установленной электрической мощности. Затраты на эксплуатацию этих установок составляют 10-15% от стоимости производимой энергии.   Продуктом очистки является загрязненный гипс, основная часть которого складируется в золоотвалах. В процессе очистки расходуется известь – ценное сырье для цементной промышленности.  
Применение технологии электронно-лучевой очистки позволит, как минимум, вдвое снизить капитальные затраты, а сам процесс очистки сделать самоокупаемым. 
Продуктом электронно-лучевой очистки являются минеральные удобрения, необходимые для подъема сельского хозяйства в нашей стране и обеспечения ее продовольственной безопасности. Согласно постановлению правительства необходимый годовой объем удобрений должен к 2020 году составить 3 млн. тонн. 
В перспективе запасы газа истощаются, а запасы углей огромны. Потребности в энергии и удобрениях при развитии нашей экономики будут непрерывно возрастать. Освоение электронно-лучевого процесса открывает путь к безопасному развитию промышленности, энергетики, сельского хозяйства. Снижается нагрузка на окружающую среду, восстанавливается естественный оборот серы и азота в природе.
Установленная мощность угольных ТЭС составляет в настоящий момент 57,9 ГВт, планируется увеличить ее к 2020г. в два раза до 104,6 ГВт.
При оснащении электрических станций электронно-лучевой очисткой капитальные затраты составят порядка 0,58$/Вт, что в два раза ниже, чем  при использовании химических методов. В масштабе энергетики нашей страны капиталовложения в очистку для угольных ТЭС составят порядка 0,58$/Вт*104,6 ГВт= 60,6 млрд.$
Если эту работу начинать уже сейчас и планировать к 2020г. оснащение 80% мощностей угольных ТЭС, то объем годового строительства должен составить около 4 млрд. $ в год, что означает занятость в высокотехнологичном производстве около 80 тысяч человек. 
При среднем содержании окислов серы в выбросах угольных станций на уровне 2г/норм.м3  объем газовых выбросов составит к 2020г.  при коэффициенте загрузки мощностей 80% -  104,6*0.8*3,8 млн.м3/(1.ГВт час) =317 млн.м3/час, что означает 635 т/час окислов серы. 
Утилизация этих окислов электронно-лучевым способом позволит производить до  6 миллионов тонн удобрений в год.  Такой объем производства перекрывает текущие потребности отечественного сельского хозяйства ( 3 млн.т/год), что дает возможность экспортировать удобрения и получать дополнительный доход на внешнем рынке.
При внутренних ценах на электроэнергию, аммиак и удобрения, прибыль от производства удобрений в результате электронно-лучевого процесса составит  325 млн.$ в год, а общий годовой объем поступающих от продажи удобрений средств -  1,4 млрд. $. Окупаемость первоначальных  капиталовложений должна быть обеспечена за счет снижения штрафных санкций (в том числе и международных) и экологического эффекта. Эксплуатационные затраты приносят прибыль и позволяют дополнительно занять еще  10 тысяч человек.
В результате реализации проекта в России будет распределенное по территории производство минеральных удобрений, то есть затраты на их перевозку и складирование будут минимальными 
Дополнительно, необходимо учитывать, что альтернативные методы очистки требуют в два раза больших капиталовложений и имеют полностью затратный рабочий цикл с необходимостью утилизации продуктов очистки в золоотвалах. Затраты на очистку составляют 10-15% от вырабатываемой энергии или в текущих ценах на электроэнергию 4 - 6 млрд. $ в год. Эта упущенная выгода обеспечивает окупаемость капитальных вложений в электронно-лучевую очистку за 10-15 лет, даже без учета штрафных санкций.
Таким образом, внедрение электронно-лучевой очистки только в России позволит создать новую отрасль экономики с числом занятых 90 000 человек и годовым оборотом около 6 млрд. $.