Уменьшение загрязнения углем , иногда называемое чистым углем , представляет собой серию систем и технологий, направленных на смягчение воздействия на здоровье и окружающую среду сжигания угля для производства энергии. При сжигании угля выделяются вредные вещества, которые способствуют загрязнению воздуха, кислотным дождям и выбросам парниковых газов . Смягчение последствий включает подходы предварительного сжигания, такие как очистка угля, а подходы после сжигания включают десульфурацию дымовых газов , селективное каталитическое восстановление , электростатические осадители и сокращение летучей золы . Эти меры направлены на снижение воздействия угля на здоровье человека и окружающую среду.
При горении угля в воздух выбрасываются различные химические вещества. Основными продуктами являются вода и углекислый газ, как и при сжигании нефти. Также выделяются диоксид серы и оксиды азота, а также некоторое количество ртути. Остаток, остающийся после сгорания, угольная зола, часто содержит мышьяк, ртуть и свинец. Наконец, сжигание угля, особенно антрацита , может привести к выбросу радиоактивных материалов. [1]
Смягчение последствий загрязнения углем можно разделить на несколько различных подходов. Снижение загрязнения углем направлено на минимизацию негативных последствий сжигания угля. [2]
Перед сжиганием уголь можно очистить физическими и химическими способами.
Физическая очистка угля обычно включает гравиметрические процессы, часто в сочетании с пенной флотацией. Такие процессы удаляют минералы и другие негорючие компоненты угля, используя их большую плотность по сравнению с углем. Эта технология широко практикуется.
Уголь также можно частично очистить с помощью химической обработки. Идея заключается в использовании химикатов для удаления вредных компонентов угля, оставляя горючий материал. Обычно очистка угля предполагает обработку угля кислотами или щелочами. Эта технология дорогая и редко выходит за рамки демонстрационной фазы. Во время Второй мировой войны немецкая промышленность удаляла золу из угля путем обработки плавиковой кислотой и соответствующими реагентами. [2]
Отходы, образующиеся при сжигании угля, можно разделить на три категории: газы, твердые частицы и твердые вещества (зола). Газообразные продукты можно фильтровать и очищать, чтобы свести к минимуму выбросы SO x, NO x и ртути:
Электростатические осадители удаляют частицы. Мокрые скрубберы могут удалять как газы, так и твердые частицы.
Твердый остаток, угольная зола , требует отдельного набора технологий, но обычно предполагает захоронение или некоторые методы иммобилизации. Сокращение количества летучей золы снижает выбросы радиоактивных материалов .
Для улавливания углерода доступно несколько различных технологических методов:
Спутниковый мониторинг теперь используется для перекрестной проверки национальных данных, например, прекурсор Sentinel-5 показал, что китайский контроль над SO 2 оказался лишь частично успешным. [7] Также выяснилось, что недостаточное использование таких технологий, как SCR, привело к высоким выбросам NO 2 в Южной Африке и Индии. [8]
Несколько угольных электростанций с комбинированным циклом комплексной газификации (IGCC) были построены с газификацией угля . Хотя они сжигают уголь более эффективно и, следовательно, выделяют меньше загрязнений, эта технология в целом не оказалась экономически жизнеспособной для угля, за исключением, возможно, Японии, хотя это спорно. [9] [10]
В настоящее время в нескольких странах проходят испытания CCS коммерческого масштаба в сочетании с повышением нефтеотдачи пластов и другими применениями. [ кем? ] Предлагаемые объекты CCS подвергаются тщательному исследованию и мониторингу во избежание потенциальных опасностей, которые могут включать утечку изолированного CO2 в атмосферу, вызванную геологическую нестабильность или загрязнение источников воды, таких как океаны и водоносные горизонты, используемые для питьевого водоснабжения. По состоянию на 2021 год единственным демонстратором CCS на угольной электростанции, хранящей подземный газ, является часть электростанции Boundary Dam . [ нужна цитата ]
Завод Great Plains Synfuels поддерживает техническую осуществимость связывания углекислого газа. Углекислый газ, образующийся при газификации угля, отправляется в Канаду, где его закачивают в землю для добычи нефти. Недостатком процесса секвестрации углерода является его дороговизна по сравнению с традиционными процессами.
Ожидалось, что проект IGCC округа Кемпер , предлагаемая электростанция на основе газификации угля мощностью 582 МВт , будет использовать улавливание CO 2 перед сжиганием для улавливания 65% CO 2 , производимого электростанцией, который был бы утилизирован и геологически изолирован в улучшенных нефтедобывающие операции. [11] Однако после многих задержек и увеличения затрат до 7,5 миллиардов долларов (в три раза больше первоначального бюджета) [12] проект газификации угля был заброшен, и по состоянию на конец 2017 года Кемпер строится как более дешевая электростанция, работающая на природном газе . [13]
Демонстрационный проект комплексного улавливания и секвестрации углерода на плотине на границе правительства Саскачевана будет использовать технологию скруббера дожигания на основе аминов для улавливания 90% CO 2 , выбрасываемого энергоблоком 3 электростанции; этот CO 2 будет поступать по трубопроводу и использоваться для повышения нефтеотдачи на нефтяных месторождениях Вейберн. [14]
Ранним примером угольной электростанции, использующей (кислородную) технологию улавливания углерода, является электростанция Schwarze Pumpe шведской компании Vattenfall , расположенная в Шпремберге , Германия , построенная немецкой фирмой Siemens , которая была запущена в эксплуатацию в сентябре 2008 года. [15] [16] Установка улавливает CO 2 и кислотные дожди, образующие загрязняющие вещества, отделяет их и сжимает CO 2 в жидкость. Планируется закачивать CO 2 в истощенные месторождения природного газа или другие геологические формации. Ваттенфолл полагает, что эта технология не считается окончательным решением проблемы снижения выбросов CO 2 в атмосферу, но обеспечивает достижимое решение в ближайшем будущем, в то время как более желательные альтернативные решения по выработке электроэнергии могут быть сделаны экономически практичными. [16]
Другие примеры улавливания углерода кислородным сжиганием находятся в разработке. Электростанция Каллиде модернизировала существующую электростанцию, работающую на ПК мощностью 30 МВт, для работы в кислородно-топливном режиме; В Сьюдене, Испания, Endesa имеет недавно построенную кислородно-топливную установку мощностью 30 МВт, использующую технологию сжигания в циркулирующем псевдоожиженном слое (CFBC). [17] Котельная система с нулевым уровнем выбросов (ZEBS) компании Babcock-ThermoEnergy основана на кислородном сжигании; эта система обеспечивает почти 100% улавливание углерода и, по данным компании, практически не производит выбросов в атмосферу. [18]
Другие технологии улавливания и хранения углерода включают технологии обезвоживания низкосортных углей. Угли низкого качества часто содержат более высокий уровень содержания влаги, что приводит к более низкому содержанию энергии на тонну. Это приводит к снижению эффективности горения и увеличению выбросов. Снижение влажности угля перед его сжиганием может снизить выбросы до 50 процентов. [19] [ нужна ссылка ]
В конце 1980-х и начале 1990-х годов Министерство энергетики США (DOE) реализовало проекты под названием «Чистая угольная технология и чистая угольная энергетика» (CCPI). [20] [21]
Будет ли технология улавливания и хранения углерода принята во всем мире, «...зависит не столько от науки, сколько от экономики. Очистка угля обходится очень дорого». [22]
Конверсия обычной угольной электростанции осуществляется путем впрыскивания CO 2 в карбонат аммония, после чего он транспортируется и откладывается под землей (предпочтительно в грунте под водой). [23] Однако этот процесс впрыскивания является самым дорогим. Помимо стоимости оборудования и карбоната аммония, угольной электростанции также необходимо использовать 30% вырабатываемого тепла для впрыска (паразитная нагрузка). Испытательная установка была проведена на угольной электростанции American Electric Power Mountaineer.
Одним из решений по уменьшению этих тепловых потерь/паразитной нагрузки является сжигание измельченной загрузки чистым кислородом вместо воздуха . [23]
Вновь построенные угольные электростанции могут быть приспособлены к немедленному использованию газификации угля перед его сжиганием. Это значительно облегчает отделение CO 2 от выхлопных газов, удешевляя процесс. Этот процесс газификации осуществляется на новых угольных электростанциях, таких как угольная электростанция в Тяньцзине , называемая « GreenGen ».
К местным стандартам загрязнения относятся GB13223-2011 (Китай), Индия, [24] Директива о промышленных выбросах (ЕС) и Закон о чистом воздухе (США) .
С 2006 года Китай выбрасывает больше CO2, чем любая другая страна . [25] [26] [27] [28] [29] Исследователи в Китае сосредоточены на повышении эффективности сжигания угля, чтобы они могли получать больше энергии из меньшего количества угля. [30] По оценкам, новые высокоэффективные электростанции могут сократить выбросы CO 2 на 7%, поскольку им не придется сжигать столько угля, чтобы получить такое же количество энергии. [30]
По состоянию на 2019 год [update] стоимость модернизации CCS неясна, и экономика частично зависит от того, как будет развиваться китайская национальная схема торговли выбросами углерода . [31]
Согласно новому исследованию Lancet, загрязнение окружающей среды привело к более чем 2,3 миллионам преждевременных смертей в Индии в 2019 году. Только из-за загрязнения воздуха произошло около 1,6 миллиона смертей, а из-за загрязнения воды — более 500 000. Индия разработала инструменты и регулирующие полномочия для смягчения последствий источников загрязнения, но не существует централизованной системы для управления усилиями по контролю загрязнения и достижения существенных улучшений», — говорится в исследовании, добавляя, что на 93% территории страны уровень загрязнения по-прежнему значительно превышает мировой уровень загрязнения. Руководства организации (ВОЗ) [32] .
В 2014 году провинциальная электроэнергетическая компания SaskPower завершила реконструкцию котла № 3 Boundary Dam, сделав его первым в мире хранилищем для улавливания углерода после сжигания. [33] Проект реконструкции в конечном итоге обошелся чуть более чем в 1,2 миллиарда долларов и может очистить от CO 2 и токсины до 90 процентов выбрасываемых дымовых газов. [33]
После катастрофического отказа атомной электростанции Фукусима-1 в Японии, произошедшего в результате землетрясения и цунами в Тохоку в 2011 году , и последующего широкого общественного противодействия ядерной энергетике , Синдзо все больше отдавал предпочтение угольным электростанциям с высокой энергией и низким уровнем выбросов (HELE). Правительство под руководством Абэ должно компенсировать утраченные энергетические мощности из-за частичного закрытия атомных электростанций в Японии и заменить устаревшие угольные и нефтяные электростанции, одновременно достигая целей Парижского соглашения по выбросам к 2030 году . Было запланировано построить 45 электростанций HELE, предположительно для использования интегрированного цикла топливных элементов газификации , дальнейшего развития комбинированного цикла интегрированной газификации. [34] [35]
Япония уже принимала пилотные проекты угольных электростанций IGCC в начале 1990-х и конце 2000-х годов.
В Соединенных Штатах чистый уголь неоднократно упоминался бывшим президентом Джорджем Бушем , в том числе в его Послании о положении страны в 2007 году . Позиция Буша заключалась в том, что следует поощрять технологии улавливания и хранения углерода как одно из средств снижения зависимости страны от иностранной нефти.
Во время президентской кампании в США в 2008 году оба кандидата Джон Маккейн и Барак Обама выразили заинтересованность в развитии технологий CCS как части общего комплексного энергетического плана. Развитие технологий по снижению загрязнения может также создать экспортный бизнес для Соединенных Штатов или любой другой страны, работающей над этим.
Американский закон о реинвестировании и восстановлении выделил 3,4 миллиарда долларов на передовые технологии улавливания и хранения углерода, включая демонстрационные проекты.
Бывший госсекретарь Хиллари Клинтон заявила, что «мы должны стремиться к тому, чтобы новое производство электроэнергии осуществлялось из других источников, таких как чистый уголь и возобновляемые источники энергии», а бывший министр энергетики д-р Стивен Чу сказал, что «абсолютно стоит инвестировать в улавливание и хранение углерода», отметив, что даже если США и Европа отвернутся от угля, развивающиеся страны, такие как Индия и Китай, скорее всего, этого не сделают.
Во время первых дебатов на президентских выборах в США в 2012 году Митт Ромни выразил поддержку экологически чистому углю и заявил, что нынешняя федеральная политика препятствует развитию угольной промышленности. [36]
Во времена администрации ТрампаУправление по чистому углю и управлению выбросами углерода было создано при Министерстве энергетики США , но было упразднено при администрации Байдена.
Влияние угольной промышленности на здоровье и окружающую среду