Основы экологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 1

Цели и задачи дисциплины ,ее место в учебном процессе.

Цель проведения дисциплины

Изучить : методики определения выбросов вредных веществ в атмосферу , принципы работы золоулавливающихустановок ,пути снижения выбросов токсичных газов ТЭС,современные направления разработок малоотходных технологий в энергетике.

Задачи изучения дисциплины.

Знать методику определения выбросов вредных веществ в атмосферу

Знать методику расчета рассеивания вредных веществ и выбор оптимальной высоты дымовой трубы.

Уметь выбрать оборудование золоулавливающей установки , сделать оценку эффективности мероприятий по защите водоемов от сброса сточных вод. тепловой электростанция выброс дымовой

Иметь представление об природоохранном законадательстве, о нормирова- нии предельно допустимых выбросов, о особенностях улавливания золы с неблагоприятными электрофизическими свойствами.

Перечень дисциплин, усвоение которых студентами необходимо для изучения данной дисциплины :

высшая математика,

физика,

сжигание топлива,

химия и др.

Литература.

1.Рихтер Л.А.,Всшков Э.П., Покровский В.Н. " Охрана водного и воздушногобассейнов от выбросов ТЭС. М.: Энергоатомиздат,1981г.

2." Энергетика и охрана окружающей среды ." Под ред. Н.Г.Залогина, Л.И. Кроппа , Ю.М.Кострикова . М.: Энергия, 1979г.

3.В.В.Жабо ." Охрана окружающей среды на ТЭС и АЭС." М. .Энергоатом - ,издат, 1992г.

4.О.Ф.Ливчак, Ю.В.Воронов. "Охрана окружающей среды." М.: Стройиздат,1998г.

Общие данные о природоохранном законодательстве

Объективной реальностью мирового развития человеческого общества является возрастающее воздействие промышленности, транспорта и сельского хозяйства на природную (окружающую) среду.

Увеличение и накопление в окружающей среде различных загрязнений способны нарушить сложившиеся естественные процессы в биосфере.

Учение о биосфере было заложено академиком В. И. Вернадским. В основе этого учения лежит понимание диалектики, взаимосвязи процессов, происходящих в минеральной, водной и газообразной оболочках Земли. Когда человек стал главным действующим началом в биосфере, она стала ноосферой -- сферой разума.

Проблемами взаимодействия человека, растительного и животного мира с биосферой занимается наука, называемая экологией.

Охрана природы представляет собой систему естественнонаучных, производственно-технических, экономических и административно-правовых мероприятий, осуществляемых в стране и направленных на сохранение и контролируемое изменение окружающей природной среды в интересах развивающегося общества, обеспечение рационального использования природных ресурсов.

Велико ли влияние энергетики на окружающую среду?

Рост энерговооруженности труда и потребления электроэнергии в быту ведет к дальнейшему развитию электроэнергетики, а следовательно, к увеличению ее влияния на окружающую среду и биосферу в целом. Можно ожидать, что количество сжигаемого на ТЭС топлива возрастет в период 1990--2010 гг. с 570 до 650 млн. т условного топлива. Структура потребления топлива ТЭС в 1990 г. была следующей, %: мазут 19,3, газ 45,2, уголь и сланец 35,5.

Продолжает развиваться атомная энергетика. На 1 января 1990 г. в 26 странах эксплуатировалось более 400 ядерных реакторов суммарной установленной мощностью более 280 ГВт. Расчеты показывают, что в 2010 г. структура производства электроэнергии в СНГ будет следующей, млрд. кВт * ч: ТЭС--1530, АЭС --520, ГЭС --300, всего --2350.

На производство электроэнергии в нашей стране расходуется около 28% добываемого топлива, на производство теплоты 46%, или в сумме на указанные цели почти 3/4 топливных ресурсов. Участие энергетических предприятий (ТЭС и котельных) в загрязнении окружающей среды продуктами сгорания топлива, твердыми отходами и низкопотенциальным теплом значительно и хорошо видно из рис. 1.1.

Наибольшую опасность для человека представляет загрязнение атмосферного воздуха в городах. Во многих из них концентрация вредных веществ превышает предельно допустимые концентрации (ПДК). Например, в 1986 г. в воздухе почти ста городов страны загрязнение в течение нескольких дней десятикратно превышало норму.

За последние годы в стране проделана значительная работа по организации рационального использования и воспроизводству

природных ресурсов, снижению отрицательных последствий воздействия общества на окружающую природу. В результате использования ресурсосберегающих технологий в промышленности ежегодно экономится более 250 км³ (250 млрд. м³) свежей воды, что в 4 раза больше годового стока реки Днепр. Удалось добиться улучшения состояния воздушного бассейна в Твери, Могилеве, Ташкенте, Тбилиси, Кемерове. Создана широкая сеть заповедников, где проводится значительная научно-исследовательская работа и ознакомление широкой общественности с красотой и хрупкостью природы, методами ее сохранения.



Рис. 1.1. Материальный баланс угольной ТЭС мощностью 2400 МВт

«В интересах настоящего и будущего поколений принимаются необходимые меры для охраны и научно обоснованного, рационального использования земли и ее недр, водных ресурсов, растительного и животного мира, для сохранения в чистоте воздуха и воды, обеспечения воспроизводства природных богатств и улучшения окружающей человека среды» -- так в главном законе РК определена деятельность всех граждан и организаций в области охраны окружающей среды.

Правовое регулирование отношений по охране природы осуществляется законами РК о здравоохранении, земле, воде, недрах, лесе.

Под термином «окружающая среда» или «природная среда» понимается среда обитания человека вне производственных и жилых зданий.

Выполнение любых работ по строительству, монтажу, наладке, ремонту и эксплуатации энергетических установок должно осуществляться без нанесения ущерба окружающей человека природе. В этом залог физического и духовного здоровья человека.

Лекция 2

Тема: Выбросы тепловых электростанций в атмосферу и их влияние на окружающую среду

Токсичные вещества в топливе и дымовых газах

Токсичными (вредными) называются химические соединения, отрицательно влияющие на здоровье человека и животных.

Вид топлива влияет на состав образующихся при его сжигании вредных веществ. На электростанциях используется твердое, жидкое и газообразное топливо. Основными вредными веществами, содержащимися в дымовых газах котлов, являются: оксиды (окислы) серы (SO₂ и SO₃), оксиды азота (NO и NO₂), оксид углерода (СО), соединения ванадия (в основном пентаксид ванадия V₂O₅). К вредным веществам относится также зола.

Твердое топливо. В теплоэнергетике используют угли (бурые, каменные, антрацитовый штыб), горючие сланцы и торф. Состав твердого топлива схематично представить.

Как видно органическая часть топлива состоит из углерода С, водорода Н, кислорода О, органической серы S_opr. В состав горючей части топлива ряда месторождений входит также неорганическая, пиритная сера FeS_2.

Негорючая (минеральная) часть топлива состоит из влаги W и золы А. 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.

Одной из важнейших особенностей золы является то, что частицы ее имеют различные размеры, которые находятся в диапазоне от 1 --2 до 60 мкм и более. Эта особенность как параметр, характеризующий золу, называется дисперсностью.

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.

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 SO₂.

Сернистость углей в зависимости от месторождения составляет 0,3--6%. Сернистость горючих сланцев достигает 1,4--1,7%, торфа --0,1%.

Соединения ртути, фтора и хлора находятся за котлом в газообразном состоянии.

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.

Жидкое топливо. В теплоэнергетике применяются мазут, сланцевое масло, дизельное и котельно-печное топливо.

В жидком топливе отсутствует пиритная сера. В состав золы мазута входят пентаоксид ванадия (V₂O₅), а также Ni₂O₃, A1₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂, MgO 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.

Сера в мазуте находится преимущественно в виде органических соединений, элементарной серы и сероводорода. Ее содержание зависит от сернистости нефти, из которой он получен.

Топочные мазуты в зависимости от содержания в них серы подразделяются на: малосернистые S^р<0,5%, сернистые S^p = 0,5+ 2,0% и высокосернистые S^p>2,0%.

Дизельное топливо по содержанию серы делится на две группы: первая--до 0,2% и вторая--до 0,5%. В малосернистом котельно-печном топливе содержится серы не более 0,5, в сернистом -- до 1,1, в сланцевом масле -- не более 1%.

Газообразное топливо представляет собой наиболее «чистое» органическое топливо, так как при его полном сгорании из токсичных веществ образуются только оксиды азота.

Зола. При расчете выброса твердых частиц в атмосферу необходимо учитывать, что вместе с золой в атмосферу поступает несгоревшее топливо(недожог).

Механический недожог q1 для камерных топок, если принять одинаковым содержание горючих в шлаке и уносе.

В связи с тем что все виды топлива имеют разную теплоту сгорания, в расчетах часто используют приведенные зольность Апр и сернистость Sпр,

Характеристики некоторых видов топлива приведены в табл. 1.1.

Доля твердых частиц _ун, уносимых из топки, зависит от типа топки и может быть принята по следующим данным:

Камеры с твердым шлакоудалением .,0,95

Открытые с жидким шлакоудалением 0,7--0,85

Полуоткрытые с жидким шлакоудалением 0,6--0,8

Двухкамерные топки 0,5--0,6

Топки с вертикальными предтопками 0,2--0,4

Горизонтальные циклонные топки 0,1--0,15

Из табл. 1.1 видно, что наибольшую зольность имеют горючие сланцы и бурые угли, а также экибастузский каменный уголь.

Оксиды серы. Выброс оксидов серы определяется по сернистому ангидриду.

Как показали исследования, связывание сернистого ангидрида летучей золой в газоходах энергетических котлов зависит в основном от содержания оксида кальция в рабочей массе топлива.

В сухих золоуловителях оксиды серы практически не улавливаются.

Долю оксидов, улавливаемых в мокрых золоуловителях, которая зависит от сернистости топлива и щелочности орошающей воды, можно определить по графикам, представленным в методичке.

Оксиды азота. Количество оксидов азота в пересчете на NO₂ (т/год, г/с), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами котла (корпуса) производительностью до 30 т/ч, может быть рассчитано по эмпирической формуле в методичке.

При сжигании в энергетических котлах жидкого и газообразного топлива значения коэффициента р_х принимаются равными:

Коэффициент избытка воздуха в топке

а_г>1,05

а_т= 1,03… 1,05

а_т<1,03

Таблица 1.1. Характеристики некоторых топлив

Месторождение,	Марка	Теплота	Зольность	Сернистость
бассейн	угля,	сгорания
	класс	25. МДж/кг	рабочая	приведенная	рабочая, СР 0/	приведенная
				%-кг/°МДж		% *кг/МДж
Донецкий	А, Ш	22,58	22,9	1,014	1,7 *	0,075
Кузнецкий	Д, Р	22,84	13,2	0,578	0,3	0,013
Карагандинский	К	16,26	27,6	1,697	0,8	0,049
Экибастузский	СС, Р	16,76	38,1	2.273	0,8	0,048
Подмосковный	Б2, Р	10,43	25,2	2,416	2,7	0,259
Канско-Ачинский	Б2, Р	15,67	4,7	0,300	0,2	0,013
(Березовский)
Сланцы эстонские	--	10,94	40,0	3,656	1,6	0,146
Торф фрезерный	--	8,13	6,3	0,775	0,1	0,012
Мазут	Мало-	40,40	0,05	--	0,3	--
	серни-
	стый
	Серни-	39,86	0,1	--	1,4	--
	стый
	Высоко-	38,89	0,1	--	2,8	--
	серни-
	стый

При одновременном сжигании в топках энергетических котлов двух видов топлива с расходом одного из них более 90% значение коэффициента Pj должно приниматься по основному виду топлива.

В остальных случаях коэффициент Pj определяется как средневзвешенное значение по топливу.

Пентаоксид ванадия. Количество оксидов ванадия в пересчете на пентаоксид ванадия (т/год, г/с), выбрасываемое в атмосферу с дымовыми газами в единицу времени, вычисляется по формуле в методичке.

Оксид углерода. При неправильно организованном режиме сжигания топлива, например нехватке кислорода в топке, в продуктах сгорания всех топлив появляется оксид углерода.

атационным данным или нормам; R -- коэффициент, учитывающий долю потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, обусловленной неполным сгоранием оксида углерода. Для твердого топлива R=l; для газа R = 0,5; для мазута R = 0,65.^x

При сжигании газа и мазута с предельно малыми избытками г воздуха (<х_т= 1,01-н 1,03) следует принимать q₃ = 0,\5. При а_т^1,05 <7з = °-^Б

В результате сложных реакций в диапазоне температур 973--1073 К при недостаточном количестве кислорода, подаваемого в зону горения, в дымовых газах образуется полициклический углеводород бенз(а)пирен С₂₀Н_1б, обладающий канцерогенными свойствами. Агрегатное состояние бенз(а)пирена , в дымовых газах -- аэрозольное. Канцерогенными веществами являются химические вещества, воздействие которых на человека вызывает рак и другие опухоли.

При неполном сгорании жидкого топлива в дымовых газах образуются крупнодисперсные, липучие частицы сажи, состоящие преимущественно из углерода. Сажа способна адсорбировать бенз(а)пирен, в результате чего ее частицы приобретают канцерогенные свойства.

О масштабах выбросов различных веществ из дымовых труб электростанций можно судить по примеру (см. рис. 1.1); ТЭС мощностью 2400 МВт, сжигающая антрацитовый штыб донецкого угля, потребляет 1060 т/ч топлива. 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%).

Лекция 3

Тема: Преобразование вредных выбросов ТЭС в атмосферном воздухе

Вредные выбросы и природные вещества в атмосфере подвергаются сложным процессам превращения, взаимодействия, вымывания и т. д. Эти процессы различны для взвешенных частиц и газообразных примесей, время нахождения («жизни») взвешенных частиц в атмосфере зависит от их физико-химических свойств, метеорологических параметров и некоторых других факторов, в первую очередь от высоты выброса частиц в атмосферу и их размеров.

Основными путями вывода аэрозолей из атмосферы (самоочищения) являются осаждение частиц под воздействием сил тяжести, осаждение их на растения и водоемы, а также вымывание дождем.

Частицы размером более 10 мкм относительно быстро опускаются на землю под действием сил тяжести. Частицы с поперечником от 4 до 10 мкм поднимаются с дымом на высоту более 1 км и могут перемещаться потоком воздуха на сотни километров. Частицы от 1 до 4 мкм очень медленно осаждаются, достигая земной поверхности в течение года. Частицы менее 1 мкм распространяются подобно молекулам газа, f

Примерная скорость осаждения частиц в неподвижном воздухе в зависимости от их размера составляет:

Радиус частиц, мкм 0.1 1 10 100

Скорость осаждения, см/с 8*10 ^-6 4*10 ^-2 0,3 25

Вопрос о времени жизни и превращениях газообразных загрязнений атмосферы изучен еще недостаточно. Например, диоксид серы сохраняется, по данным разных исследователей, от нескольких часов до нескольких дней.

Диоксид серы в атмосфере постепенно окисляется до триоксида серы, который, взаимодействуя с влагой воздуха, образует серную кислоту. На скорость процесса окисления влияет солнечный свет и мельчайшие частицы пыли, каталитически ускоряющие процесс окисления. На процесс окисления влияет также влажность воздуха. С увеличением влажности процесс окисления сернистого ангидрида ускоряется.

Установлено, что в атмосфере происходит реакция фотодиссоциации диоксида азота NO₂ на NO и О, при этом поглощается излучение ультрафиолетовой области солнечного спектра, которое играет преобладающую роль в атмосферных фотохимических процессах. Энергия, необходимая для разрыва связи между азотом и кислородом, составляет около 300 кДж/моль. f

Следствием диссоциации NO является большое количество вторичных реакций. Совместное окисление углеводородов и окислов азота приводит к образованию соединений, которые . в результате дальнейших реакций образуют так называемые пероксиацилнитраты (ПАН), обладающие сильным токсичным действием. Вещества группы ПАН можно обнаружить в загрязненном городском воздухе во время токсичного тумана (смога).

Среди вторичных фотохимических реакций важное значение имеет взаимодействие молекулярного кислорода и оксида азота NO с атомарным кислородом, в результате чего образуются озон О₃ и диоксид азота. Знак УФ означает, что реакция фотодиссоциации происходит с поглощением ультрафиолетовых лучей солнечного спектра.

В итоге происходит непрерывное образование озона, который, взаимодействуя с оксидом азота, образует снова диоксид азота.

Как показывают исследования, в результате перечисленных реакций происходит постепенное доокисление монооксида N0 до диоксида NO₂ по мере удаления дымового факела от дымовой трубы. На выходе из дымовой трубы 85--90% всех оксидов азота представляет NO.

Итоговое преобразование NO в NO₂ приводит к усилению отрицательного воздействия продуктов сгорания на природу и живые организмы, так как последний более токсичен.

Установлено, что основной причиной фотохимических превращений в приземном слое атмосферы городов является высокая степень загрязнения воздуха органическими веществами (преимущественно нефтяного происхождения) и оксидами азота.

Суммарная концентрация окислителей, называемых еще оксидантами, образующихся в атмосферном воздухе в результате фотохимических превращений, в ряде случаев может быть использована как гигиенический показатель интенсивности протекания этих реакций.

Концентрации оксидантов подвержены большим колебаниям, но наблюдается определенная закономерность.

Как правило, вслед за низкими ночными концентрациями наблюдается их значительное увеличение в утренние часы. Максимум наступает в полдень с усилением воздействия солнечных лучей. Снижение концентраций происходит с заходом солнца.

При высоких концентрациях NO и NO₂ они частично окисляются под воздействием солнечной радиации до высшего оксида азота N₂O₅, который, взаимодействуя с влагой воздуха, образует азотную кислоту.

Соединения ванадия, аэрозоли бенз(а)пирена, распространяясь в атмосфере вместе с пылью, дождем или снегом, оседают на почву и водоемы.

Из сказанного выше следует, что вредные выбросы ТЭС--пыль, оксиды серы и азота и другие вещества, воздействуя на биосферу в районе расположения электростанции, подвергаются различным превращениям и взаимодействиям и затем осаждаются или вымываются атмосферными осадками.

Так показано, что выбросы современной ТЭС с высокими дымовыми трубами распространяются на десятки и сотнин километров.

Как влияют выбросы ТЭС на глобальное загрязнение атмосферы?

Следует иметь в виду, что почти все выбрасываемые ТЭС вещества не являются инородными для окружающей природы и участвуют в круговороте веществ между атмосферой, литосферой и гидросферой.

Так, в атмосфере Земли содержится около 2000 млрд. т углерода в виде углекислого газа СО₂. При этом около 100 млрд. т/год находится в состоянии непрерывного круговорота между атмосферой, сушей и морем. Таким образом, общие выделения СО₂ в результате человеческой деятельности, составляющие в настоящее время примерно 15 млрд. т в год, не приведут к значительным изменениям, так как небольшое увеличение СО₂ в воздухе компенсирует способность растений и водорослей поглощать углекислый газ. Однако дальнейшее увеличение выбросов СО₂ может повлиять на климат планеты благодаря так называемому парниковому (оранжерейному) эффекту. Парниковый эффект для Земли -- это повышение средней температуры планеты благодаря тому, что углекислый газ пропускает тепловое излучение Солнца и в то же время является теплозащитным экраном обратному потоку тепла.

Количество пыли, оксидов серы, азота и углерода, поступающих в атмосферу от естественных и антропогенных (производственных) источников, характеризуется следующими цифрами, млрд. т/год:

ИнгредиентОт естественных От антропогенных

источников источников

Пыль 1000 200

Оксиды:

серы 100--150 100--150

азота 1000 100

углерода (СО) 200

Вдали от крупных источников выброса не наблюдается увеличения концентраций пыли, оксидов серы и азота в ощутимых размерах. Наличие оксидов серы и азота в воздухе в отдалении от источников выброса в сотни раз меньше допустимых концентраций. Объясняется это тем, что время нахождения в атмосфере большинства загрязняющих компонентов не превышает нескольких суток.

Наибольшее значение для животного мира оказывает кислород воздуха. В процессе дыхания животных и горения топлива уменьшается его концентрация в атмосфере, которая восстанавливается растительным миром суши и океана.

Ощутимых изменений концентрации кислорода в атмосфере нет. Однако это совсем не значит, что проблема в глобальном масштабе исчерпана, так как одновременно с антропогенным использованием кислорода в мире совершаются и другие процессы, отрицательно влияющие на воспроизводство кислорода, а именно загрязнение мирового океана и снижение площади лесов.

Что же касается теплоэнергетики, то актуальным является решение вопросов обеспечения допустимых концентраций вредных веществ в районах расположения электростанций.

Лекция 4

Тема: Влияние вредных выбросов электростанций на природу и человека

Что такое чистый воздух? Это 78,03% азота, 20,99% кислорода, 0,04% углекислого газа и около 1% инертных газов.

Высокое содержание в атмосферном воздухе различных загрязнителей неблагоприятно сказывается на всем комплексе живой природы. Отрицательное влияние загрязнения атмосферы выражается в ухудшении здоровья людей и животных, снижении урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животных. Воздействию вредных веществ подвержены лесные угодья. Загрязнение атмосферы влияет на коррозионные процессы строительных конструкций, ускорение износа зданий и оборудования.

В атмосферу попадают выбросы не только ТЭС, но и других промышленных предприятий, а также транспорта, коммунальных служб и т. д.

Роль предприятий различных отраслей нашей страны в загрязнении атмосферы представлена ниже.

Поступление вредных веществ в атмосферу, %

ТЭС и котельные 27

Черная металлургия 17

Цветная металлургия ,10

Нефтедобыча и нефтехимия 16

Автомобильный транспорт 12

Промышленность строительных материалов 5

Угольная промышленность 2,5

Химическая промышленность 1,

Прочие 9

Всего ....'100

Как видно из перечисленных данных, в загрязнении атмосферного воздуха основную роль играют технологические процессы на базе органического топлива (ТЭС, металлургия, автомобильный транспорт) и составляют около 3/4 суммарных вредных выбросов промышленности.

Теплоэнергетические установки сельскохозяйственных предприятий (котлы, теплогенераторы, отопительные агрегаты, сушильные установки), работающие на органическом топливе, являются также источниками загрязнения атмосферы.

Доля выбросов отдельных отраслей непостоянна и зависит главным образом от двух факторов: с одной стороны, от темпов роста промышленного производства и с другой -- от мер по снижению выбросов на действующих и строящихся предприятиях. Например, в последние годы имеет место не только абсолютный, но и относительный рост загрязнения атмосферного воздуха выхлопными газами автомобилей.

Существует два основных вида воздействия выбросов: локальное и общее (глобальное). Локальное воздействие выбросов ТЭС на окружающую среду и человека распространяется на прилегающий район диаметром до 20--50 км. Глобальное (общее воздействие) распространяется на биосферу с учетом выбросов других предприятий на любом расстоянии от данной ТЭС.

Рассмотрим вопросы локального влияния вредных веществ, выбрасываемых ТЭС.

Неблагоприятное действие на окружающую среду оказывают оксиды азота и серы: разрушается хлорофилл растений, повреждаются листья и хвоя. Наиболее чувствительными к SO₂ являются хвойные деревья. Диоксид серы вызывает посерение кончиков хвои и ее увядание. Пораженные участки приобретают бронзовую окраску. На листьях также появляются бледные пятна, которые затем приобретают бронзовый цвет, затем листья опадают. Нарушение фотосинтеза и дыхания хвои начинается с концентрации SO₂, составляющей 0,23 мг/м³. Хвоя высыхает за 2--3 года. При содержании SO₂ в воздухе 0,08--0,23 мг/м³ происходит уменьшение интенсивности фотосинтеза и медленное увядание хвои. Лиственные деревья начинают поражаться при концентрации SO₂ от 0,5 до 1 мг/м³. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) при концентрации диоксида серы или пыли в атмосферном воздухе 0,08 мг/м³ ощущается дискомфорт у людей. При дальнейшем увеличении содержания диоксида серы или пыли до 0,25--0,5 мг/м³ наблюдается ухудшение состояния больных с легочными заболеваниями. Постоянное пребывание людей в атмосфере с концентрацией указанных веществ выше 0,5 мг/м³ приводит к более частым заболеваниям и возрастанию смертности.

Поступающий в атмосферу триоксид серы (SO₃), взаимодействуя с влагой воздуха, образует серную кислоту, которая активно разрушает конструкции и оборудование.

Диоксид азота оказывает раздражающее действие на дыхательные пути и слизистую оболочку глаза. Длительное воздействие NO₂ при концентрации до 2 мг/м³ приводит к хлорозу растений. При концентрации NO₂, равной 4-- 6 мг/м³, возникает острое повреждение растений.

Оксиды азота, поглощая естественную радиацию как в ультрафиолетовой, так и в видимой части спектра, снижают

прозрачность атмосферы и способствуют образованию фотохимического тумана -- смога.

Очень токсичен пентаоксид ванадия V₂O₅, входящий в состав золы мазута. Это вещество вызывает раздражение дыхательных путей у человека и животных, поражение кожи, расстройство кровообращения и нервной системы, а также нарушение обмена веществ.

Бенз (а) пирен, как отмечено выше, обладает канцерогенными свойствами, т. е. способен вызывать злокачественные заболевания. Оксид углерода (СО) изменяет состав крови, приводит к нарушению нервной деятельности.

Санитарным законодательством РК и других промышленно развитых стран установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) веществ, загрязняющих воздух и водоемы. Виновные в превышении этих норм несут ответственность в соответствии с законом.

ПДК -- максимальное количество вредного вещества в единице объема или массы воздуха, которое при ежедневном воздействии в течение неограниченного времени не вызывает каких-либо болезненных изменений в организме человека и неблагоприятных наследственных изменений у потомства. ПДК для вредных веществ, выбрасываемых ТЭС и котельными, представлены в табл. 1.3.

Как видно из табл. 1.3, для вредных веществ установлены две величины ПДК: максимально-разовая (ПДК_{М р}), определяемая в пробах в течение 20 мин, и среднесуточная (ПДК_{С с}) средневзвешенная за 24 ч ПДК определяется на уровне дыхания человека.

Таблица 1.3. Значение предельно допустимых концентраций для некоторых веществ, мг/м³

Вещество	ПДКМ1,, мг/м3	пдксс, мг/м3	Класс опасности
Диоксид азота NO2	0,085	0,04	2
Оксид азота NO	0,6	0,06	3
Диоксид серы SO2	0,5	0,05	3
Бенз (а) пирен С2оЙ16	--	0,1 мкг/100 м3	1
Пентаксид ванадия V2O5	--	0,002	1
Сажа	0,15	0,05	3
Оксид углерода СО	5	3	4
Аммиак NH3	0,2	0,04	4
Сероводород H2S	0,008	--	2
Пыль неорганическая, содержащая
диоксид кремния, %:
>70	0,15	0,05	3
20--70	0,3	0,1	3
<20	0,5	0,15	3
Угольная зола ТЭС*	0,05	0,02	2

Фоновым загрязнением атмосферного воздуха называется загрязнение без учета выбросов рассматриваемого предприятия. Поэтому при изучении загрязнения атмосферного воздуха данной электростанцией нужно учитывать фоновое загрязнение по каждому ингредиенту.

По степени опасности (токсичности) различают четыре класса веществ: 1--чрезвычайно опасные, 2-- опасные, 3 -- умеренно опасные, 4 -- относительно безопасные.

Совместное присутствие ряда вредных веществ в атмосферном воздухе может усиливать их токсичность. Такие вещества называются вредными веществами однонаправленного действия. Поэтому Минздравом введено требование о необходимости учета суммарного воздействия ряда таких веществ. К настоящему времени достоверно установлены, в частности, следующие сочетания вредных веществ, обладающих суммированным действием:

диоксид серы + диоксид азота;

диоксид серы + аэрозоль серной кислоты;

диоксид серы + фтористый водород;

диоксид серы + сероводород;

диоксид серы + оксид серы + аммиак + оксиды азота;

диоксид серы + фенол;

диоксид серы + диоксид азота + фенол + оксид углерода.

Из перечисленных соединений для теплоэнергетики наибольшее значение имеет первое, так как сернистый ангидрид и диоксид азота практически всегда одновременно присутствуют в продуктах сгорания.

В соответствии с Законом об охране атмосферного воздуха размещение нового предприятия в местности, где фоновое загрязнение атмосферы превышает ПДК, должно сопровождаться осуществлением мероприятий по снижению выбросов соответствующих веществ на действующих предприятиях. В некоторых случаях необходимо охарактеризовать качество энергетических топлив в отношении загрязнения окружающей среды значением одного показателя, учитывающего суммарное воздействие различных вредных веществ. Например, замена одного топлива другим требует показателя (критерия) для оценки целесообразности такой замены по соображениям качества атмосферного воздуха.

Для простоты использования, частные показатели приводятся к безразмерному виду, а токсичность выражается как отношение ПДК данного ингредиента к ПДК золы.

С учетом технологии использования топлива все вредные вещества можно классифицировать на две группы.

К первой группе относятся вредные вещества, мало зависящие от технологии сжигания. Это диоксид серы, соединения ванадия. Ко второй группе принадлежат вредные вещества, образование которых зависит от технологии и режима сжигания топлива (летучая зола, оксиды азота, оксид углерода, безн(а)пирен и др.). Выбросы этих веществ изменяются в зависимости от мощности и типа топочного устройства, избытка воздуха и т. п.

Эффективность очистки от золы твердого топлива принята равной 99%, для мазута -- 70%.

С увеличением мощности ТЭС и объема дымовых газов для обеспечения требуемого качества атмосферного воздуха приходится увеличивать высоту, а следовательно, и стоимость дымовых труб или применять более эффективные и дорогие пыле- и газоочистные установки. Все это увеличивает не только абсолютные, но и удельные капиталовложения на сооружения по защите окружающей среды. Следует также учитывать, что чем больше 77^s, тем выше удельные затраты по защите окружающей среды и тем меньше выигрыш от увеличения мощности ТЭС. Таким образом, показатель П^т может быть использован в технико-экономическом анализе выбора мощности ТЭС с различными видами топлива.

Лекция 5

Тема: Нормирование предельно допустимых выбросов (ПДВ)

Использование предельно допустимых концентраций вредных веществ для контроля за состоянием атмосферного воздуха не дает ответа на вопрос, какой источник выброса вызывает эти концентрации и сколько вредных веществ эти источники выбрасывают в единицу времени.

Отсутствие учета выбросов вредных веществ каждым предприятием не позволяет разработать и осуществить экономически и экологически оптимальный комплекс мероприятий по охране воздушного бассейна. Поэтому по охране атмосферного воздуха введен еще один норматив -- предельно допустимый выброс (ПДВ).

Предельно допустимый выброс вредных веществ в атмосферу-- это максимальный разовый (контрольный) выброс в граммах в секунду (г/с) или годовой (т/год), является нормативом, устанавливаемым для каждого источника выбросов и для предприятия (ТЭС, котельной) в целом, за соблюдением которого организуется контроль.

Максимально-разовый и годовой ПДВ от всех источников выбросов должен обеспечить концентрацию вредных веществ в атмосферном воздухе, не превышающую ПДК.

Если не удается обеспечить ПДК, то рассчитывается и устанавливается вместо ПДВ временно согласованный выброс (ВСВ), который периодически, не реже одного раза в пять лет, должен переутверждаться с целью достигнуть ПДВ.

Такой порядок установления ПДВ определен ГОСТ 17.2.3.02--78.

Разработчиком ПДВ (ВСВ) могут быть предприятия, головная ведомственная организация (ГВО) или сторонняя организация на договорных началах.

Основными нормативными документами, регламентирующими разработку предложений по ПДВ (ВСВ), являются всесоюзные государственные стандарты и нормативы, инструктивные указания Минприроды СССР, отраслевые нормативные документы, а также указания по разработке ПДВ (ВСВ) региональных органов Минприроды СССР.

Ответственность за своевременность и обоснованность разработки проекта нормативов ПДВ (ВСВ) несет ГВО.

При проектировании новых, а также при расширении существующих предприятий предложения по ПДВ разрабатываются проектирующей организацией.

Нормированию подлежат организованные выбросы вредных веществ через дымовые трубы от стационарных энергетических и водогрейных котлов. Не рассматриваются при разработке проекта нормативов прочие выбросы ТЭС -- вентиляционные, транспортные, пыление топливных складов, золоотвалов, а также залповые выбросы при очистке конвективных поверхностей котлов. По мере развития инструментальных и расчетных способов учета выбросов будет совершенствоваться методика нормирования с охватом в конечном счете всех видов загрязнений воздушного бассейна.

Норма выбросов оксидов азота NO_X устанавливается исходя из расчета полного окисления монооксида NO в атмосфере до NO₂.

При разработке ПДВ (ВСВ) не рассматриваются вопросы суммации токсичного действия различных сочетаний вредных веществ, поскольку допустимое долевое загрязнение отдельными предприятиями в загрязнение воздушного бассейна данного района устанавливается по каждому веществу отдельно.

Разработка предложений по нормам для выбросов ТЭС и котельных производится в следующем порядке.

Головная ведомственная организация получает от головной организации Минприроды РК (ГО), привязку площадки предприятия к общегосударственной системе координат, данные по фоновому загрязнению воздушного бассейна в исходный период и на перспективу, характеристику рельефа. Пример карты-схемы города представлен на рис. 1.7.

ГВО проводит согласования исходных данных и положений с органами Мин.ООС и Минздрава РК и производит расчет норм ПДВ (ВСВ) сама или передает организации-разработчику.

Организация-разработчик выполняет следующие работы:

· производит расчет максимальных кратковременных, годовых выбросов и загрязнения атмосферы с учетом рассеивания, в том числе при наиболее неблагоприятных показателях исходного периода;

· оценивает возможность установления ПДВ в указанных условиях;

· разрабатывает комплекс мероприятий по уменьшению выбросов, если приземная концентрация выбросов предприятия выше допустимого загрязнения, установленного для этого предприятия;

· оценивает возможность установления ПДВ в указанных условиях;

· разрабатывает комплекс мероприятий по уменьшению выбросов, если приземная концентрация выше допустимого загрязнения, установленного для этого предприятия;

· разрабатывает план поэтапного снижения выбросов, оценивает значение промежуточных норм (ВСВ), ориентировочно определяет капитальные затраты на каждом этапе;

· проводит совместно с ГВО промежуточное рабочее согласование подготовленных материалов с вышестоящей организацией Минэнерго и ГО;

· оформляет сводный том и передает его в ГВО.

Головная ведомственная организация:

· получает заключение местных органов Минздрава о полноте учета источников и видов токсичных выбросов, правильности принятых в работе значений ПДК;

· передает сводный том на утверждение в вышестоящую организацию Минэнерго .

Максимальные разовые выбросы предприятия определяются по наибольшей его среднесуточной нагрузке за предшествующие 2--3 года. Выбросы при этом определяются как сумма выбросов всех организованных источников выбросов М_Н =М_i исходя из фактической производительности котлов в период максимума нагрузки. Рассчитываются также выбросы вредных веществ при летнем максимуме нагрузок предприятия.

При использовании различных видов топлива максимальный разовый выброс каждого вредного вещества для предприятия в целом рассчитывается в следующем порядке:

· определяется наибольшее выделение каждого вредного вещества в расчете на 1 т условного топлива;

· производится расчет максимального расхода наиболее загрязняющего топлива в предшествующий период;

· при оценке выбросов каждого вредного вещества при максимальной нагрузке предприятий включается (условно) в соответствующий расход топлива В_м максимальный расход наиболее загрязняющего топлива В_м^загр. Расход прочих видов топлива при этом составит В_м -- В_м^загр;

· распределение общего расхода наиболее загрязняющего топлива 5„^гр между котлами принимается пропорциональным расходу условного топлива на каждый котел при максимуме нагрузки предприятия.

При расчете выбросов не учитываются виды топлива, доля которых в годовом потреблении ниже 5%.

Параметры выбросов по каждому источнику (температура дымовых газов, концентрация токсичных веществ) определяются как средневзвешенные характеристики уходящих газов отдельных котлов, поступающих в данную дымовую трубу:

Р=,

где Р и P_t--рассматриваемый параметр для источника выброса и конкретного котла; V_t -- расход дымовых газов от каждого котла при нормальных условиях, м³/ч.

Выбросы оксидов азота, оксида углерода и золы твердого топлива определяются по данным непосредственных измерений или расчетным путем.

Выброс пентаоксида ванадия определяется расчетным путем.

Годовые выбросы вредных веществ определяются по наибольшему за исходный период расходу топлива при характерной структуре топливного баланса, усредненном качестве топлива, среднегодовой нагрузке котлов, среднеэксплуатационной степени очистки дымовых газов.

Методика разработки норм ПДВ (ВСВ) и мероприятий по снижению вредных выбросов зависит от следующих факторов:

· фоновое загрязнение воздуха по данному веществу превышает ПДК;

· фоновое загрязнение воздуха ниже ПДК, но с учетом выбросов рассматриваемого предприятия превышает предельно допустимую концентрацию;

· суммарное загрязнение воздуха ниже ПДК.

Долевое предельное загрязнение воздуха каждым предприятием задается ГО.

Разрабатываемые на период до 10--12 лет мероприятия должны соответствовать современным технически осуществимым и экономически целесообразным методам снижения токсичных выбросов, условиям энергоснабжения района и не должны приводить к снижению надежности оборудования. Мероприятия первого этапа снижения выбросов (ВСВ-1), до конца текущей пятилетки и последующих этапов осуществляются за счет основной деятельности предприятия и выделенных средств по капитальному строительству. При выборе способов уменьшения загрязнения атмосферы выбросами действующих ТЭС и котельных должен быть рассмотрен широкий круг мероприятий различного характера, в том числе:

· изменение качества топлива -- ограничение содержания серы, применение при особо неблагоприятных условиях малосернистого мазута или природного бессернистого газа;

· изменение режима работы и состава основного оборудования-- перевод ТЭЦ в режим котельных, демонтаж устаревших котлов, работа городских ТЭЦ по тепловому графику, замена малоэффективных золоуловителей более совершенными установками, автоматизация процесса горения и т. д.;

· реконструкция оборудования, например организация рециркуляции дымовых газов, двухступенчатого сжигания, впрыска воды в горелки для уменьшения образования оксидов азота;

· обоснованное изменение параметров дымовых труб с целью улучшения рассеивания дымовых газов;

· строительство установок по очистке дымовых газов от оксидов серы и азота;

· внедрение автоматизированных систем контроля за выбросами и за состоянием атмосферного воздуха в районе максимального воздействия дымового факела ТЭС;

· оснащение котлов системой подавления оксидов азота с использованием контактных теплообменников в «хвосте» котла;

· использование химически активных веществ (например, мочевины) для разложения оксидов азота на азот и кислород;

· разработка и использование катализаторов для очистки дымовых газов от оксидов азота;

· разработка новых способов сжигания топлива с утилизацией углекислоты;

· внедрение физико-химических технологий очистки дымовых газов, в том числе с помощью пучка электронов.

Вопросы и задания к семинарскому занятию

Перечислите основные законы об охране природы.

Расскажите о структуре производства электроэнергии в РК.

Почему актуальна проблема снижения вредных выбросов ТЭС?

Какие компоненты органического топлива при его сжигании приводят к образованию токсичных веществ?

В каком виде находится сера в твердом и жидком топливе?

Какой вид органического топлива экологически самый чистый? Почему?

Напишите формулу для расчета выброса золы топлива при сжигании его в топке котла.

8.От каких факторов зависит связывание диоксида серы в уходящих газах котлов?

9.Каковы основные причины генерации оксидов азота в дымовых газах?

При сжигании какого топлива образуется пентаоксид ванадия?

Что такое бенз (а) пирен?

От чего зависит дальность рассеивания золы топлива?

Как долго живут в атмосферном воздухе оксиды серы и азота?

Что такое локальное и глобальное загрязнение атмосферного воздуха?

Какие деревья наиболее чувствительны к SO₂?

Что такое ПДК?

Что Вы знаете о показателе суммарной вредности топлива и дымовых газов?

Что такое ПДВ (ВСВ)? Для чего введен норматив ПДВ?

Расскажите о порядке расчета ПДВ.

Лекция 6

Тема: Улавливание твердых веществ из дымовых газов ТЭС

Характеристики летучей золы. Основы теории золоулавливания

Золой при определении характеристики топлива считается остаток, получающийся при прокаливании до постоянной массы навески топлива в присутствии кислорода при температуре 800° С (1073 К).

Фазово-минералогические исследования состава золы различных видов твердого топлива показывают, что основной фазой всех видов золы является стекло. Кристаллическая фаза представлена различными количествами кварца, гематита, магнетика и различными силикатами кальция.

Характеристики золы (уноса), полученной в топках котлов, несколько отличаются по физико-химическим свойствам и химическому составу от золы, полученной в лабораторных условиях. Такое отличие определяется температурными условиями и временем сжигания частиц топлива в топке, где температура значительно выше 800° С. Основными отличительными факторами является шлакование (расплавление) части минеральной составляющей топлива и наличие в золе частиц недогревшего топлива (механического недожога).

Эффективность работы газоочистных устройств во многом зависит от физико-химических свойств улавливаемой золы и поступающих в золоуловитель дымовых газов. Основными характеристиками золы являются плотность, дисперсный состав, электрическое сопротивление (для электрофильтров), слипаемость.

Плотность частиц летучей золы р_ч для большинства углей лежит в пределах 1900--2500 кг/м³. Плотность определяется как отношение массы частиц золы к занимаемому ею объему, включая объемы пор и газовых включений.

Для выбора и расчета золоуловителей большое значение имеет распределение частиц по размерам -- дисперсный состав. О частицах судят по размеру наименьшего отверстия сита, через которое частица диаметром d проходит при просеивании. Просеивая золу через ряд сит с различным размером ячеек, получают кривую остатков на сите R_d (рис. 2.1, а).

Ордината кривой показывает количество пыли в процентах, частицы которых больше, чем размер ячейки сита. Можно вместо остатков на сите использовать обратную величину -- проход через сито y_d, причем

у_д= 100-R_d

Наименьший размер отверстий в ситах, составляет 44 мкм, поэтому для определения дисперсного состава фракций меньше этого размера, представляющих наибольшие трудности при золоулавливании, используются другие методы -- воздушной сепарации, жидкостной седиментации (всплывание или оседание частиц) и микроскопического анализа.

Расчет степени улавливания обычно ведется для каждой фракции частиц отдельно. Содержание той или иной фракции Ф; можно найти из кривой остатков на сите вычитанием остатков на сите на концах заданного изменения диаметров частиц (рис. 2.1, в). При расчете золоуловителей диаметр принимают постоянным, равным среднеарифметическому диаметру на его концах. Так, в диапазоне изменения диаметров от 10 до 20 мкм в расчетах принимают в качестве среднего значения 15 мкм. В табл. 2.1 приведен фракционный состав золы уноса некоторых топлив СССР.

Дисперсный состав летучей золы во многом зависит от дисперсного состава сжигаемой угольной пыли, поступающей после размольного устройства в топку.

Распределение частиц золы большинства углей соответствует логарифмическому закону. В этом случае зависимость R_d и d в специальной вероятностной шкале изображается прямой (рис. 2.1,6), а все распределение частиц по фракциям можно характеризовать двумя величинами: d₅₀-- медианным диаметром, который соответствует остатку на сите R_d = 50%, и средним квадратичным отклонением где d_l59; d₅₀ и d₈₄₁--диаметры частиц, которые соответствуют остаткам на ситах, равным 15,9; 50 и 84,1%.

Для определения дисперсного состава золы используют специальные устройства -- импакторы. В настоящее время данные дисперсионных анализов получают в основном с помощью каскадных импакторов. Принцип действия каскадных импакторов (рис. 2.2) основан на инерционной сепарации частиц по размерам при пропускании пробы газа через ряд последовательно установленных сопл или сопловых решеток с расположенными под ними осадительными поверхностями (подложками). Диаметры одиночных сопл или диаметры и число сопл в сопловых решетках подбираются таким образом, чтобы размеры частиц, которые могут осесть в данном каскаде, были меньше размеров частиц, способных осесть в предыдущем. Таким образом, анализируемые частицы оказываются разделенными на фракции, число которых равно общему числу каскадов импактора, включая фильтр.

Для очистки газов в электрофильтрах существенное влияние на эффективность их работы оказывает удельное электрическое сопротивление р. По этому признаку золу углей можно разделить на три группы.

/ группа характеризуется р< 10² Ом-м. Такими свойствами обладает зола, имеющая большое количество недогоревшего углерода, например зола донецкого АШ. Эта зола называется «низкоомной».

// группа золы имеет электрическое сопротивление в пределах 10² < р < 10⁸ Ом-м и наиболее полно улавливается в электрофильтрах. К этой группе относится зола ряда каменных углей--донецкого Т, ГСШ и др.

III группа золы характеризуется р> 10 Ом-м и является электрическим изолятором. Такая зола называется «высокоомной».

К золе III группы относится зола некоторых каменных углей, в частности экибастузского, кузнецкого и др.

Для инерционных золоуловителей существенное значение имеет свойство слипаемости золы. По слипаемости зола делится на четыре группы: не слипающаяся (1), слабо слипающаяся (II), среднесли-пающаяся (III) и сильнослипающа-яся (IV).