ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКИ ПРИЕМЛЕМОГО УРОВНЯ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ТЭС И КРУПНЫХ КОТЕЛЬНЫХ
Необходимость снижения воздействия ТЭС и котельных на окружающую среду не вызывает сомнений. Однако этот процесс, так же как любой другой, требует определенных затрат для его осуществления. В связи с этим неоднократно отмечалось [ 1, 2] наличие оптимального уровня снижения содержания загрязняющих ингредиентов в дымовых газах после очистных устройств. В настоящее время в мире существуют технологии, позволяющие доводить очистку продуктов сгорания до любого уровня [3]. Очевидно, что в наиболее общем случае, после достижения определенного уровня, дальнейшее увеличение степени очистки (особенно на уровне близком к предельному значению 100%,) будет требовать непропорционального роста затрат (рис.1). Кроме того, при этом физическое количество улавливаемых и/или очищаемых ингредиентов - загрязнителей будет уменьшаться (рис.2), стремясь в пределе к нулю. В результате совместного действия этих двух факторов стоимость тонны уловленного ингредиента будет расти практически экспоненциально (рис.3).
Для экспертной оценки выбор конкретной технологии не имеет принципиального значения. Большее значение имеет допустимость использованных принципов для экспертной оценки роста стоимости повышения степени очистки, особенно для последующего роста после достижения определенного уровня. При выполнении оценки экономически приемлемого уровня очистки дымовых газов следует согласиться с несколькими основополагающими принципами:
- достижение требуемой степени очистки на данном источнике требует определенных затрат,
- в загрязнении атмосферы участвуют несколько источников с разными долями в общем загрязнении.
Наиболее наглядно этот подход можно рассмотреть для улавливания летучей золы. Для проведения даже этой экспертной оценки следует принять несколько допущений:
- базовая степень улавливания летучей золы для условий Казахстана принимается равной 96% или в атмосферу поступает 4% от золы сожженного топлива;
- затраты на достижение базовой степени улавливания золы отсутствуют;
- число часов работы агрегата с номинальной нагрузкой будет на уровне 6.500 часов в год.
Для конкретизации примера, при оценке доли стоимости очистки в стоимости продукции ТЭС можно рассмотреть процесс очистки дымовых газов котла, сжигающего в час 30 тонн экибастузского угля с зольностью 40% (для экибастузского угля - это вполне «приличное» качество). Если рассматривать физический процесс улавливания пыли (конкретно для мокрых систем улавливания золы с трубами Вентури [5]), то очевидно, что степень улавливания растет, стремясь в пределе к 100% по асимптоте. Объем уловленного количества пыли по мере роста степени улавливания снижается, стремясь к нулю в пределе по асимптоте (рис.1). При степени очистки дымовых газов от пыли равной 96%, (системой с трубами Вентури и с центробежным скруббером) в атмосферу будет поступать 4% золы. Это существующая система и поэтому затраты на достижение этой степени улавливания можно считать равным нулю. Эти величины - степени очистки и затрат на достижение этой степени улавливания, можно принимать в качестве начала координат для рассмотрения упомянутых зависимостей (рис.2).
В рассматриваемом случае количество поступающей в атмосферу золы можно определить при известном количестве сжигаемого топлива, его зольности и при известной степени улавливания золы. В 30 тоннах угля при зольности 0.4 содержится 12 тонн золы, 4 % из которых будут поступать в атмосферу и это составит 480 кг золы. Если повысить степень улавливания золы до 98% (это будет первый этап в модернизации систем улавливания золы), то количество уловленной золы снизится до 240 кг в час. Однако это потребует затрат (экспертно, по результатам модернизации систем улавливания золы на Акмолинской ТЭЦ-1) на уровне 4 млн тенге, что представляет очень заниженную величину. Если принять традиционный для энергетики срок окупаемости в 8 лет, то при такой стоимости модернизации ежегодные затраты на увеличение степени улавливания от 96 о 98% (при линейной экстраполяции) составят 500 тысяч тенге. Если учесть, что в среднем котел работает 6.5 тыс. часов в год, то за год (от котла сжигающего 30 тонн угля в час) будет дополнительно уловлено около 1500 тонн золы или каждая тонна уловленной золы требует затрат около 330 тенге. Это, например, для ТЭЦ АО «Астана - Энергия составляет почти 30% от стоимости тонны экибастузского угля (по ценам 2010 года). Для ТЭЦ можно считать, что в среднем за год, эффективность превращения энергии топлива в тепловую и электрическую энергию будет около 50%. В отопительный период она составляет 70% (это очень высокий уровень эффективности), и в период отсутствия отопления находится на уровне 40% (это традиционный уровень эффективности). При такой эффективности производства энергии из 30 тонн угля (в каждой тонне экибастузского угля содержится 4 МВт энергии) можно получить 30 тн. х 4 МВт х 0.5 = 60 МВт энергии. При средней, между электричеством и теплом, стоимости 1 мВт отпущенной энергии на источнике на уровне 2500 тенге и при среднегодовом числе часов работы котла на уровне 6.5 тыс.часов на котле, потребляющем 30 тонн угля в час, будет произведено товарной продукции более чем на 1 млрд.тенге. При таком соотношении стоимости продукции и уловленной золы, ежегодные затраты на повышенное улавливание приведут к росту стоимости отпущенной энергии примерно на 0.04 %
Повышение степени улавливания от 98 до 99% экспертно потребует примерно удвоения затрат, т.е. затраты составят 8 млн. тенге и при среднем сроке окупаемости 8 лет уже достигнет величины 1 млн. тенге в год. Рост стоимости отпущенной энергии, относительно величины, установленной при оценке повышения степени улавливания от 96 до 98%, уже составит 0.16%. При этом количество дополнительно уловленной золы составит 120 кг. Стоимость уловленного кг. золы соответственно составит более 8 тыс. тенге, что заметно больше стоимости тонны экибастузского угля. Затраты на повышение степени улавливания золы могут возрастать по экспоненте, стремясь к бесконечности при достижении 100% очистки. Желание повысить степень улавливания золы до 99.5% потребует затрат в 4 раза больше и они могут составить 32 млн. тенге, если рассматривать модернизацию действующего оборудования или достигать 100 млн. тенге, если заменить трубы Вентури на эмульгаторы. Эти затраты увеличат стоимость отпускаемой энергии более, чем на 0.6 % (при модернизации действующей системы с трубами Вентури с центробежным скруббером) или почти 1.5% (при переходе на эмульгаторы). При переходе на степень улавливания 99.5% дополнительно уловленное количество золы составит всего 60 кг золы. При таком соотношении затрат (даже тех же 32 млн.тенге) и снижаемого количества выбросов золы стоимость дополнительно уловленной тонны золы составит около 10 тысяч тенге (для варианта модернизации существующей системы), или более 30 тысяч тенге (при переходе на эмульгаторы), что несопоставимо больше стоимости тонны сжигаемого угля. Сравнение затрат на модернизацию существующей системы и перехода на эмульгаторы убеждают в том, что при разработке стратегии снижения выбросов в атмосферу следует учитывать технические и технологические возможности существующей системы (т.н. «технологические» нормативы), что будет способствовать достижению определенного уровня очистки минимальными затратами /4/. Сопоставление стоимости уловленной золы, при степени улавливания равным 99 и 99.5 %, показывает, что приемлемый уровень в 99%, сохранится даже при возрастании стоимости затрат на создание золоулавливающих устройств в 10 раз.
Можно предполагать, что снижение выбросов окислов азота и серы имеют аналогичную тенденцию.
В связи с таким характером изменения соотношения затрат на снижение объемов выбросов и физическими объемами снижения самих ингредиентов, при установлении нормативов на выбросы следует проводить технико- экономический анализ для определения экономически приемлемого уровня очистки. Очевидно, что неизбежная глобализация экономики, включая глобализацию охраны окружающей среды, особенно атмосферы, будет сдвигать эту приемлемую величину в сторону увеличения степени очистки. При определении приемлемого по экономике уровня очистки продуктов сгорания следует также учитывать и величину доли вклада данного объекта в общее загрязнение атмосферы конкретной местности (города, населенного пункта).
Если рассмотреть загрязнение атмосферы конкретного города пылевыми частицами, то очевидно, что в этом процессе, кроме объектов электроэнергетики и снабжения теплом, участвуют и другие объекты [1]. Например: автомобили (и даже пешеходы!), строительство, строительная индустрия, пыление окружающей местности (особенно в регионах с глинистой почвой, частицы которых практически не осаждаются при сухой погоде [3]) и другие. Количество пыли, поднимаемой только автомобилями, экспертно можно определить (например, для Алматы) и для этого необходимо сделать следующие допущения и предположения:
- количество автомобилей, присутствующих в городе = 500 тысяч
- суточный пробег каждого автомобиля =50 км
- количество пыли, поднимаемой в воздух при движении автомобиля = 1грамм на 10 метров пути или 0.1 кг на 1 км.
При таких допущениях, только автомобильное движение в сухую погоду «поставляют» в атмосферу города 2500 тонн пыли в сутки. Ясно, что большая часть объема пыли от автомобилей поступает в атмосферу в дневное время и это количество существенно уменьшается зимой и/или в дни с заметными осадками.
Если считать, что в Алматы проживают только 1 млн. жителей и пешеход проходит в день только 1 км, и при этом поднимают также 100 грамм пыли на один километр при сухой погоде (или на 15 шагах поднимает 1 грамм пыли), то в целом это составит 100 тонн в сутки.
Экспертно можно считать, что строительство и строительная индустрия «поставляет» пыли в объеме 4 % от автомобильного движения или они поставляют около 100 тонн в сутки.
Определить количество пыли, поступающей от близлежащей степной местности, даже экспертно затруднительно. Однако можно достаточно уверенно предполагать, что, по крайней мере, для Астаны это количество пыли достаточно заметное.
Для сравнения: от котла, сжигающего в час 30 тонн угля, при предположении, что роза ветров постоянно направлена на город, в атмосферу города за сутки поступает только 12 тонн пыли (даже при эффективности улавливания 96%). При правильном выборе места размещения ТЭС, с учетом розы ветров, эта величина будет заметно меньше. При повышении эффективности улавливания золы эта величина стремительно снижается. От ТЭС и котельных, сжигающих 2.4 млн. тонн угля в год, в атмосферу города будет поступать (при эффективности улавливания 98% и при зольности Экибастузского угля 40%) около 50 тонн золы в сутки (если считать, что роза ветров все время направлена на город). Эта величина составляет около 2 % от количества пыли, поднимаемой автомобилями (если считать, что весь год в городе наблюдается сухая погода) и достигает 4% (если считать, что сухая погода бывает только в половине дней в году) и практически равно объему поставляемого пешеходами (если считать, что сухая погода бывает только в половине дней в году) или строителями за один год. При таких количествах пыли, поступающей от других источников и при определенной выше стоимости достижения степени улавливания на уровне 99.5%, экспертная оценка показывает, что оптимальный уровень улавливания золы для ТЭС, расположенных вблизи городов, находится на уровне 99%.
Можно достаточно уверенно предполагать, что примерно такая пропорция в источниках пыли достаточно приемлема практически для любого города Казахстана. Из анализа источников пыли и их вклада в общее запыление на примере Алматы, можно считать целесообразным направление основных усилий (по улучшению состояния атмосферы города) на снижение вторичного пыления автомобилями и пешеходами. Именно такие мероприятия осуществляются в Алматы: пыль с проезжей части смывается к бордюру и затем собирается пылесосами, разделительные полосы засыпаются гранулированным гравием, вдоль трамвайных линий сажаются газоны, резко увеличивается количество скверов, увлажняется атмосфера города (восстанавливается арычная система, увеличивается количество фонтанов) и другие. Вокруг Астаны, в дополнение к аналогичным мероприятиям, создается зеленый пояс.
Близко к этой схеме могут определяться и приемлемые уровни выбросов окислов азота. По выбросам окислов серы доля ТЭС может быть ощутимой, т.к. автомобили практически не выбрасывают окислов серы.
При определении экономически приемлемого уровня очистки дымовых газов ТЭС на угле следует учитывать наличие и других источников загрязнения атмосферы городов. Это позволяет, с учетом экспоненциального роста стоимости повышения степени очистки (после определенной величины), предполагать наличие и определить экспертную величину экономически приемлемого уровня снижения конкретного ингредиента в атмосфере конкретного города.