ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Выбросы загрязняющих веществ
Бытовые и производственные энергопотребности удовлетворяются следующими видами энергии:
- тепловой (технологические процессы, отопление, кондиционирование воздуха),
- электрической (привод машин, электроаппаратуры, освещение),
- электромагнитной (радиосвязь, телефонная связь, телевидение, приборы).
Наиболее универсальная - электрическая энергия, обеспечивающая потребность в электромагнитной и в значительном количестве в тепловой энергии. До настоящего времени большая часть энергопотребления покрывается за счет непосредственного сжигания органического топлива в печах.
Предприятия, вырабатывающие электроэнергию на базе органического топлива, называются тепловыми электростанциями (ТЭС). При сжигании топлива химическая энергия превращается в тепловую энергию пара, которая затем в паровой турбине переходит в механическую энергию, а турбогенератор делает ее уже электрической. Тепловой КПД обычной ТЭС весьма низкий - 37-39%. Почти 2/3 тепловой энергии и остатков бывшего топлива в буквальном смысле вылетают в трубу, нанося вред окружающей среде.
На производство электроэнергии тепловыми электростанциями расходуется менее четверти всех добываемых горючих ископаемых, остальная часть расходуется в основном на получение промышленной и бытовой тепловой энергии. Предприятия, вырабатывающие как электрическую, так и тепловую энергию, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Электрическая энергия ТЭЦ подается в электросеть, а тепловая - в теплопроводы.
При сжигании органического топлива в топках промышленных и коммунальных котлоагрегатах и теплогенераторах производится тепловая энергия (водяной пар или горячая вода на отопление или горячее водоснабжение). Котельные установки, предназначенные для снабжения паром предприятий, принято называть производственными котельными; в случае, когда котельная вырабатывает пар и нагревает воду для предприятия и нужд отопления, ее называют производственно-отопительной; и когда котельная установка сооружается лишь для потребностей отопления и горячего водоснабжения, ее называют отопительной. Представленные котельные могут быть различной мощности: различают котельные с паропроизводительностью до 30 т/ч и выше 30 т/ч.
Тепловые электростанции и теплоэлектроцентрали, вырабатывающие электрическую и тепловую энергию на базе сжигания органических видов топлива, оказывают значительное отрицательное воздействие на окружающую среду. С дымовыми газами электростанций в воздушный бассейн выбрасывается большое число твердых и газообразных загрязнителей, среди которых такие вредные вещества как зола, оксиды углерода, серы и азота. Помимо этого в воздушный бассейн попадает огромное количество диоксида углерода и водяных паров.
Объемы вредных выбросов ТЭС в атмосферу для примера можно характеризовать данными материального баланса угольной ТЭС мощностью 2400 МВт, работающей на угле типа донецкого антрацитового штыба (рис. 1). На такой ТЭС в час сжигается до 1060 т угля (калорийностью порядка 22,7 МДж/кг, зольностью 23 %, сернистостью 1,7 %), из топок котлов удаляется 34,5 т/ч шлака и из бункеров электрофильтров (очищающих дымовые газы от золы на 99 %) - 193,5 т/ч уловленной золы. Уловленная зола и шлак в количестве 228 т/ч попадают в золоотвал электростанции, засоряя и загромождая огромные территории. При этом часовой выброс дымовых газов составляет около 8 млн. м3, содержащих 2350 т углекислого газа, 251 т водяных паров, 34 т сернистого ангидрида, 9,3 т оксидов азота, 2 т летучей золы (при эффективности золоуловителей 99 %).
При сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива вся его масса превращается в отходы, причем количество продуктов сгорания в несколько раз превышает массу использованного топлива за счет включения азота и кислорода (в 5 раз - при сжигании газа, в 4 раза - угля).
Существенное влияние на состав образующихся вредных веществ при сжигании топлива оказывает его вид:
1) На тепловых электростанциях используется твердое, жидкое и газообразное топливо.
Твердое топливо
В качестве твердого топлива в теплоэнергетике используют угли (бурые, каменные, антрацитовый штыб), горючие сланцы и торф.
Горючая часть топлива включает органическую, состоящую из углерода, водорода, кислорода, органической серы, и неорганическую части (в состав горючей части топлива ряда месторождений входит пиритная сера FeS2).
Негорючая (минеральная) часть топлива состоит из влаги и золы. Основная часть минеральной составляющей топлива переходит в процессе сжигания в
летучую золу, уносимую дымовыми газами. Другая часть в зависимости от конструкции топки и физических особенностей минеральной составляющей
топлива может превращаться в шлак.
Зольность отечественных углей колеблется в широких пределах (10—55 %).
Соответственно изменяется и запыленность дымовых газов, достигая для
высокозольных углей 60—70 г/м3.
Химический состав золы твердого топлива достаточно разнообразен.
Обычно зола состоит из оксидов кремния, алюминия, титана, калия, натрия,
железа, кальция, магния. Кальций в золе может присутствовать в виде свободного оксида, а также в составе силикатов, сульфатов и других соединений.
Более детальные анализы минеральной части твердых топлив показывают, что в золе в небольших количествах могут быть и другие элементы, например, германий, бор, мышьяк, ванадий, марганец, цинк,
уран, серебро, ртуть, фтор, хлор. Микропримеси перечисленных элементов
распределяются в различных по размерам частиц фракциях летучей золы неравномерно, и обычно их содержание увеличивается с уменьшением размеров этих частиц.
В составе золы твердых видов топлива могут присутствовать радиоактивные изотопы калия, урана и бария. Эти выбросы практически не
влияют на радиационную обстановку в районе ТЭС, хотя их общее количество может превышать выбросы радиоактивных аэрозолей на АЭС той
же мощности.
Твердое топливо может содержать серу в следующих формах: колчедана Fe2S и пирита FeS2, в составе молекул органической части топлива и в виде сульфатов в минеральной части. Соединения серы в результате горения превращаются в оксиды серы, причем около 99 % составляет сернистый ангидрид S02.
Сернистость углей в зависимости от месторождения составляет 0,3—
6,0 %. Сернистость горючих сланцев достигает 1,4—1,7 %, торфа—0,1 %.
Жидкое топливо
В качестве жидкого топлива в теплоэнергетике применяются мазут, сланцевое масло, дизельное топливо.
В состав золы мазута входят пентаоксид ванадия (V2О5), а также Ni2O3, А1203, Fe2O3, SiO2, МgО и другие оксиды. Зольность мазута не превышает 0,3 %. При полном его сгорании содержание твердых частиц в дымовых газах составляет около 0,1 г/м3, однако это значение резко возрастает в период очистки поверхностей нагрева котлов от наружных отложений.
В жидком топливе отсутствует пиритная сера (FeS2). Сера в мазуте находится преимущественно в виде органических соединений, элементарной
серы и сероводорода. Ее содержание зависит от сернистости нефти, из которой он получен.
В мазуте, сжигаемом в котельных и на ТЭЦ, содержится много сернистых соединений. После его сгорания образуется диоксид серы, являющийся причиной выпадения так называемых кислотных дождей. Предотвратить вредное воздействие кислоты на здоровье людей, жизнь животных и растительный мир, особенно при сверхнормативной ее концентрации, можно при внедрении эффективных технологических схем по
обессериванию мазутов. При переработке высокосернистой нефти только 5—
15 % серы переходит в дистилляционные продукты; остальная часть серы остается в мазуте, сжигание которого в больших количествах на установках НПЗ и крупных ТЭЦ, расположенных вблизи них, связано с большой концентрацией сернистых соединений в отходящих дымовых газах.
Топочные мазуты в зависимости от содержания в них серы подразделяются на малосернистые – содержание серы Sp < 0,5 %, сернистые
Sp = 0,5-2,0 % и высокосернистые Sp > 2,0 %.
Дизельное топливо по содержанию серы делится на две группы: первая—до 0,2 % и вторая—до 0,5 %. В сланцевом масле содержание серы не
более 1 %.
Газообразное топливопредставляет собой наиболее “чистое” органическое топливо, так как при его полном сгорании из токсичных веществ образуются только оксиды азота. При неполном сгорании в выбросах присутствует оксид углерода (СО).
ТЭС на природном газе значительно экологически чище угольных, мазутных и сланцевых, но нельзя забывать о вреде, который наносит природе добыча газа и прокладка тысячекилометровых трубопроводов, особенно в северных районах страны, где сосредоточены месторождения газа (ущерб тайге, тундре, оленеводству).
В составе загрязняющих веществ, характерных для объектов газовой
промышленности, обычно выделяют сероводород H2S. Природные газы могут быть бессернистыми или содержать значительные количества сероводорода. Добыча и переработка сероводородсодержащих газов, токсичность и летучесть компонентов которых выше, чем у нефти,
сопровождается выделением больших количеств H2S в атмосферу и является более опасной по загрязнению воздуха и других экологических объектов по сравнению с природным газом, свободным от сероводорода. В процессе переработки газов, содержащих Н2S, происходит разрушение и износ оборудования, в результате чего выделяются в окружающую среду в опасных
объемах сероводород и сопутствующие ему токсичные сернистые, азотные и
другие соединения.
Требования к степени очистки зависят от назначения газа. При очистке газа, выбрасываемого в атмосферу, содержание сероводорода должно соответствовать ПДК. При очистке технологических газов содержание сероводорода регламентируется требованиями процессов дальнейшей переработки. Сероводород, выделяемый при очистке, перерабатывают в элементарную серу или серную кислоту. Методы очистки
от сероводорода можно разделить на две основные группы: сорбционные методы и методы каталитического окисления. Наибольшее распространение получил метод хемосорбции, обеспечивающий степень очистки до 99,9%.
2) При сжигании органического топлива различают 4 режима горения:
- нейтральное (стехиометрическое или полное сгорание топлива при коэффициенте избытка воздуха α=1),
- окислительное (полное сгорание при небольшом избытке воздуха α>1),
- восстановительное (неполное сгорание при недостатке воздуха α<1),
- смешанное (окислительно-восстановительное, характерное для горения твердого топлива при неравномерном взаимодействии поверхностей его частиц с воздухом, когда α>1).
Перечисленные факторы влияют на выброс всех вредных веществ, содержащихся в дымовых газах - золы, оксидов азота, углерода, серы, оксидов ванадия (в основном выделяется пентаоксид ванадия V2О5).
Охрана атмосферного воздуха
Загрязнение воздушного бассейна объектами теплоэлектроэнергетики связано в основном с выбросами дымовых газов, образующихся при сжигании органического топлива в котлах электростанций. В связи с этим для снижения вредного воздействия энергетики на воздушный бассейн может быть использовано как минимум три пути:
1) уменьшение количества и улучшение качества органического топлива, сжигаемого для производства электроэнергии и теплоты;
2) подавление образования и улавливание вредных компонентов дымовых газов и сокращение благодаря этому выброса электростанциями вредных веществ в атмосферу;
3) уменьшение концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы в результате рассеивания вредных выбросов высокими трубами электростанций, более рационального их размещения, усиления контроля за выбросами и экологическое управление режимами энергетических предприятий с использованием экологически чистых топлив.
Справка по работе с программой
Приложение имеет простой интерфейс взаимодействия с пользователем и носит пошаговый характер выполнения. Ниже приведены рисунки , отражающие основные элементы приложения с пояснениями.
- Основные окна программы
- Кнопки
- Порядок расчёта
- Возможные полученные величины
ТРЕБОВАНИЕ К ОТЧЕТУ
Результаты практической работы должны быть оформлены в виде отчета, в котором должны быть изложены:
1. цель работы;
2. исходные данные;
3. методика расчетов с результатами вычислений;
4. результаты выполнения программы (в распечатанном виде);
5. общее заключение по результатам работы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие бытовые и производственные виды энергии существуют?
2. Какое влияние оказывают ТЭС и ТЭЦ на окружающую среду?
3. Твердое топливо как источник вредных веществ при сжигании.
4. Жидкое топливо как источник вредных веществ при сжигании.
5. Газообразное топливо как источник вредных веществ при сжигании.
6. Каковы основные пути снижения вредного воздействия энергетики на воздушный бассейн?
7. Уменьшение количества и улучшение качества сжигаемого топлива как путь снижения вредного воздействия энергетики.
8. Каковы методы борьбы с выбросами твердых частиц?
9. Каковы методы защиты от оксидов азота и от оксида углерода?
10. Рассеивание вредных веществ в атмосфере как путь снижения вредного воздействия энергетики.
ЛИТЕРАТУРА
1) Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая среда и человек: Учебное пособие для студентов вузов. М.: Высшая школа, 1986. 415 с.
2) Роддатис К.Ф., Бузников Е.Ф. Производственные и отопительные котельные. М.: Энергоатомиздат, 1984. 248 с.
3) Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности / Под ред. К.Ф.Роддатиса. М.: Энергоатомиздат, 1989. 488 с.
4) Канаев А.А., Копп И.З. Взаимодействие энергетики и окружающей среды. Л.: Знание, 1980. 33 с.
5) Экологические проблемы энергетики / Отв. ред. А.А. Папина. Новосибирск: Наука, Сиб. отделение, 1989. 322 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица П.1. Характеристика топлив (при нормальных условиях)
| Наименование топлива | A, % | S, % | Qн, МДж/кг; МДж/м3 |
| Угли | |||
| Донецкий бассейн, марки угля(к): | |||
| ДР | 28,0 | 3,5 | 18,50 |
| Д концентрат | 10,0 | 3,0 | 23,74 |
| ГР | 28,0 | 3,5 | 20,47 |
| Подмосковный бассейн (б): | |||
| Б2Р, Б20МСШ | 39,0 | 4,2 | 9,88 |
| Челябинский бассейн (к): | |||
| Б3 | 29,9 | 1,0 | 14,19 |
| Канско-Ачинский бассейн (б): | |||
| БР2 (Ирша-Бородинский разрез) | 6,7 | 0,2 | 15,54 |
| БР2 (Назаровский разрез) | 7,3 | 0,4 | 13,06 |
| Б2 (Березовское месторождение) | 4,7 | 0,2 | 15,70 |
| Б1 (Итатское месторождение) | 6,8 | 0,4 | 12,85 |
| Б1 (Боготольское месторождение) | 6,7 | 0,5 | 11,84 |
| Иркутский бассейн (к): | |||
| БР (Черемховское месторождение) | 27,0 | 1,0 | 17,93 |
| ДР (Забитуйское месторождение) | 23,0 | 4,1 | 20,91 |
| Б3Р (Тулунский разрез) | 12,6 | 0,4 | 16,38 |
| Сахалинский бассейн (к): | |||
| Б3Р, Б3 концентрат | 22,0 | 0,4 | 17,33 |
| ГСШ (Углегорский район) | 20,0 | 0,3 | 22,86 |
| Б3Р (шахта Шебунино) | 16,0 | 0,4 | 18,17 |
| Б3Р концентрат (ш.Горнозаводская) | 12,0 | 0,5 | 18,92 |
| Южноуральский бассейн | 6,6 | 0,7 | 9,11 |
| Партизанский бассейн | 34,0 | 0,5 | 20,81 |
| Кузнецкий бассейн (к): | |||
| БР, ДСШ | 13,2 | 0,4 | 22,93 |
| ГР, 1М, ГСШ | 14,3 | 0,5 | 25,32 |
| Г (промпродукт) | 23,8 | 0,5 | 20,07 |
| ССР | 14,1 | 0,6 | 27,51 |
| ОС (промпродукт) | 27,9 | 0,8 | 21,84 |
| ОС2ССМ | 18,2 | 0,4 | 24,78 |
| ТОМСШ | 18,6 | 0,6 | 25,20 |
| СС1ССМ | 18,2 | 0,3 | 23,64 |
Таблица П.1. Продолжение
| Наименование топлива | A, % | S, % | Qн, МДж/кг; МДж/м3 |
| Горючие сланцы | |||
| Эстонсланец | 50,5 | 1,6 | 11,34 |
| Ленинградсланец | 54,2 | 1,5 | |
| Торф | |||
| Росторф | 12,5 | 0,3 | 8,12 |
| Другие виды топлива | |||
| Мазут малосернистый | 0,1 | 0,5 | 40,30 |
| Мазут сернистый | 0,1 | 1,9 | 39,85 |
| Мазут высокосернистый | 0,1 | 4,1 | 38,89 |
| Дизельное топливо | 0,025 | 0,3 | 42,75 |
| Солярное масло | 0,02 | 0,3 | 42,46 |
| Природный газ из газопроводов | |||
| Саратов-Москва | - | - | 35,80 |
| Саратов-Горький | - | - | 36,13 |
| Брянск-Москва | - | - | 37,30 |
| Уренгой-Помары-Ужгород | - | - | 41,75 |
| № | Тип топки (табл. П.3) (№) | Золоуловитель (табл.П.4) (№) | Эффективность золоуловителя (%) | Суммарная теплопроизводительность котлов (Гкал/ч) | КПД (%) | Тип топлива * | Тип топки и котла (табл. П.5.)(№) | Потеря теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива (%) | Потеря теплоты вследствие механическойой неполноты сгорания топлива (%) | Количество оксидов азота на один ГДж тепла (кг/ГДж) |
| 0,13 | К | 0,6 | 3,2 | 0,15 | ||||||
| 0,32 | К | 0,5 | 0,18 | |||||||
| 0,45 | К | 0,5 | 0,2 | |||||||
| 0,16 | Б | 0,19 | ||||||||
| 19,23 | К | 5,5 | 0,26 | |||||||
| 5,13 | Б | 0,5 | 1,5 | 0,225 | ||||||
| 6,41 | Б | 0,235 | ||||||||
| 9,62 | Б | 0,7 | 0,15 | |||||||
| 3,85 | Б | 0,5 | 0,2 | |||||||
| 2,56 | Б | 0,24 | ||||||||
| 12,82 | К | 0,5 | 4,2 | 0,23 | ||||||
| 1,6 | К | 0,245 | ||||||||
| 0,64 | К | 0,8 | 5,3 | 0,21 | ||||||
| 12,82 | К | 0,6 | 5,2 | 0,165 | ||||||
| 16,03 | К | 0,5 | 0,15 | |||||||
| 0,32 | К | 0,175 | ||||||||
| 0,13 | К | 0,22 | ||||||||
| 16,03 | К | 0,8 | 4,6 | 0,26 | ||||||
| 0,64 | К | 0,5 | 0,255 | |||||||
| 9,62 | К | 0,2 | ||||||||
| 2,56 | К | 0,18 | ||||||||
| 19,23 | К | 0,7 | 4,8 | 0,175 | ||||||
| 1,28 | К | 0,5 | 0,25 | |||||||
| 6,41 | К | 0,8 | 4,3 | 0,26 | ||||||
| 3,85 | К | 0,15 | ||||||||
| 0,32 | К | 0,9 | 3,9 | 0,25 | ||||||
| 5,13 | К | 0,5 | 0,22 |
· * К – каменный уголь Б – бурый уголь
Табл. П.2. Параметры для расчёта выбросов
| № | Тип топки | X (бурые и каменные угли) |
| С неподвижной решёткой и ручным забросом | 0,0023 | |
| С забрасывателями и цепной решёткой | 0,0035 | |
| Слоевые топки бытовых теплоагрегатов | 0,0011 | |
| С пневмомеханическими забрасывателями и неподвижной решёткой | 0,0026 |
Табл. П.3. Значение коэффициента X в зависимости от типа топки и топлива
| № | Аппарат , установка |
| Батарейные циклоны типа БЦ-2 | |
| Батарейные циклоны на базе секции СЭЦ-24 | |
| Батарейные циклоны типа ЦБР-150У | |
| Электрофильтры | |
| Центробежные скрубберы ЦС-БТИ | |
| Групповые циклоны ЦН-15 | |
| Жалюзийные золоуловители |
Табл. П.4. Золоуловители
Табл. П.5. Характеристики топок котлов малой мощности
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Дата: 2016-10-02, просмотров: 181.
