Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Расчет выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлоагрегатах котельных: Методическое пособие по выполнению практических занятий по курсу "Промышленная экология"

Голосов: 2

Методическое пособие по выполнению практических занятий по курсу "Промышленная экология" для студентов специальности 320700 "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" Института дистанционного образования Томского подитехнического университета подготовлено на кафедре технологии основного органического синтеза ТПУ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
               Министерство образования Российской Федерации
             Томский политехнический университет




                                        УТВЕРЖДАЮ

                                                   Директор ИДО
                                        ____________А.Ф. Федоров
                                        "____"____________2000 г.




РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ
СЖИГАНИИ ТОПЛИВА В КОТЛОАГРЕГАТАХ КОТЕЛЬНЫХ


Методическое пособие по выполнению практических занятий по
курсу "Промышленная экология" для студентов специальности
320700 "Охрана окружающей среды и рациональное использование
природных ресурсов" Института дистанционного образования




                         Томск 2000


УДК 621.182:504.3.001.24

Расчет выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в
котлоагрегатах котельных: Методическое пособие по выполнению
практических занятий по курсу “Промышленная экология” для студентов
специальности 320700 “Охрана окружающей среды и рациональное
использование природных ресурсов” / Сост. Л.И. Бондалетова, В.Т. Новиков,
Н.А. Алексеев. - Томск: Изд. ТПУ, 2000. - 39 с.




Методическое пособие рассмотрено и рекомендовано к изданию
методическим семинаром кафедры технологии основного органического
синтеза 11 октября 1999 года.




Зав. кафедрой ТООС, доцент, канд. хим. наук             В.Т. Новиков


     1. ВЫБРОСЫ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЖИГАНИИ
        ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА И ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО
        ВОЗДУХА


     1.1. 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



                                                                         3


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 %).




     Рис. 1. Материальный баланс угольной ТЭС мощностью 2400 МВт
     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 оказывают: 1) его вид; 2) режим горения.
       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



                                                                         5


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 топливо представляет 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.
      Природные газы различаются содержанием сероводорода. Например,
природные газы Оренбургского месторождения содержат 4-6 %
сероводорода, астраханского - 25 %. В Канаде эксплуатируются газовые
месторождения с содержанием сероводорода до 50 %. Газы
нефтепереработки могут содержать от 0,5 до 15 % сероводорода.
      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).
     Диоксид углерода и пары воды - основные по массе отходы
производства - поступают в атмосферу, включаются в природные циклы и
поглощаются растительностью в процессе синтеза органических соединений



                                                                         7


и регенерации кислорода. В этом качестве эти отходы нельзя признать
вредными.
      Однако масштабы использования органического топлива и
соответственно выброса диоксида углерода по некоторым оценкам
превышают регенерационные возможности растительного мира. В результате
в атмосфере наблюдается возрастание удельного веса диоксида углерода
(углекислого газа) СО2. Влияние СО2 выражается не только в токсическом
действии на живые организмы, но и в способности поглощать инфракрасные
лучи.
      При нагревании земной поверхности солнечными лучами часть тепла в
виде инфракрасного излучения отдается обратно в мировое пространство.
Это возвращаемое тепло частично перехватывается газами, поглощающими
инфракрасное излучение, которые в результате нагреваются. Если это
явление происходит в тропосфере, то с ростом температуры могут
происходить климатические изменения (“парниковый эффект”). По мнению
многих ученых, это может привести к ряду катастрофических последствий
глобального масштаба, в том числе к таянию ледников, повышению уровня
мирового океана и затоплению огромных и наиболее обжитых прибрежных
территорий океанов, перераспределению осадков, речного стока и др.
      Одна из основных проблем состоит в том, чтобы определить масштабы
и временные рамки климатических изменений в результате накопления тепла
за счет CO2. До сих пор еще остается неясным, в какой степени
климатические изменения связаны с поглощением инфракрасного излучения
в атмосфере. Все усилия по определению возможного воздействия на климат
при увеличении содержания CO2 в атмосфере связаны с выяснением
дальнейших изменений, которые будут наблюдаться при достижении
концентрации диоксида углерода 0,06 % (об.) (в настоящее время в земной
атмосфере содержание СО2 составляет 0,03-0,034 % (об.)). Трудно
предсказать, когда будет достигнуто это значение. Если считать, что выбросы
CO2 и в дальнейшем будут постоянно возрастать, то эта концентрация будет
достигнута около 2050 г. Если расходование углерода сохранится на
современном уровне, то установление концентрации CO2 в атмосфере на
уровне 0,06 % (об.) можно ожидать только к 2200 г. Если же удастся
постоянно сокращать потребление природного топлива, то это состояние
наступит около 3000 г.
      При предсказании возможных изменений климата в результате
удвоения содержания CO2 используют модельные расчеты; они чрезвычайно
сложны и дают неоднозначные результаты. Нет уверенности в надежности
ряда данных, которые используются при конструировании модели. К ним, в
частности, относится вопрос о количестве CO2, уходящем из атмосферы и
растворяющемся в Мировом океане.


      При удвоении содержания CO2 в тропосфере изменение климата с
повышением температуры становится вполне вероятным, если не происходит
никаких компенсирующих процессов, как, например, усиленное поглощение
и рассеяние излучения в стратосфере из-за загрязнений в виде пыли и
аэрозолей.
      Проблема обогащения атмосферы диоксидом углерода не должна
рассматриваться изолированно, так как в кругообороте CO2 участвуют и
синергические, и антагонистические факторы. К синергическим факторам
относится влияние таких газов, как диоксид серы SO2, оксид азота (I) N20,
фторхлоруглеводороды (фреоны), метан СН4 и озон О3. Водяные пары
должны быть исключены из этого рассмотрения, так как, несмотря на
локальные различия в распределении над поверхностью планеты, их общая
доля в атмосфере практически остается постоянной и не вносит заметного
вклада в нагревание земной поверхности. Другие газы, поглощающие ИК-
излучение, вносят приблизительно 50 % по сравнению с общим количеством
тепла, накапливаемого за счет диоксида углерода. При оценке так
называемого парникового эффекта, вызванного деятельностью человека,
необходимо учитывать влияние и этого фактора.
      Действие пыли и аэрозолей противоположно действию газов,
накапливающих тепло, так как первые уменьшают количество солнечного
света, падающего на поверхность Земли.
      Недавно учеными было установлено, что углекислый газ,
выбрасываемый в больших количествах ТЭС, интенсивно разрушает и
озоновую оболочку Земли.
      Зола, оксиды серы, азота и многие другие компоненты дымовых газов
являются вредными веществами, превышение концентрации которых над
санитарными нормами в воздушном бассейне недопустимо.
      Количество твердых веществ (ПДКм.р.=0,5 мг/м3), выбрасываемых в
атмосферу, определяется зольностью топлива, полнотой сгорания горючей
массы, глубиной золоочистки.
      При горении сера, присутствующая в органическом топливе,
превращается в диоксид серы (ПДКм.р.=0,5 мг/м3), количество которого
определяется     сернистостью    используемого   топлива.  Наибольшую
сернистость имеют топлива европейской части (подмосковные и украинские
бурые угли, донецкий, кизеловский, инский каменные угли, эстонские
горючие сланцы, мазуты и нефти Татарии и Башкирии). Сибирские угли
имеют небольшое содержание серы. Бессернистым топливом является
природный      газ   большинства     месторождений,   за   исключением
Оренбургского, месторождений Средней Азии и нижней Волги.
      Проблема загрязнения атмосферы сернистым ангидридом приобретает
еще большую остроту в связи с трансграничным переносом примесей.
Потоки сернистого ангидрида, измеряемые миллионами тонн в год,



                                                                        9


пересекают государственные границы, особенно на территории Европы и
Северной Америки. В наиболее неблагоприятном положении оказались
страны, расположенные на Востоке и Северо-Востоке Европы, в связи с
преобладанием западных потоков воздушных масс в этом регионе. Страдают
леса и озера Скандинавских стран (Норвегия, Швеция). Так на территорию
Советского Союза ежегодно попадает 5-10 млн.т, а уходит на Запад 1,5-2
млн.т.
      Оксиды азота (ПДКм.р.=0,085 мг/м3) образуются при горении за счет
окисления азота воздуха только при высоких температурах и за счет азота в
топливе, находящегося в сложных органических соединениях, входящих в
состав угля и в молекулярном состоянии. В оксид азота (II) NO переходит 10-
30 % топливного азота. На выходе из дымовой трубы диоксид азота (NO2)
составляет 10-15 %, остальные 85-90 % составляет в основном NO. Далее при
движении дымового факела в атмосфере количество диоксида азота
увеличивается до 60-70 %. Диоксид азота токсичнее, чем оксид. Если
выбросы от автотранспорта производятся на уровне земли, то выбросы
энергетических предприятий осуществляются на высоте более 100-300 м. Это
способствует не только дальнему переносу примесей, но и попаданию их в
верхние слои атмосферы, в частности в озонный слой, расположенный на
высоте 18-26 км.
      В результате сложных реакций в диапазоне температур 700-800 оС при
недостаточном количестве кислорода, подаваемого в зону горения, в
дымовых газах образуется полициклический углеводород бенз(а)пирен С20Н16
(ПДКм.р.=0,1 мг/100м3), 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.
      К вредным воздействиям ТЭС следует отнести и выбросы теплоты,
приводящие к тепловому загрязнению окружающей среды. Энергетический
баланс угольной ТЭС складывается таким образом, что потребителю
отдается только 30-35 % энергии, полученной при сжигании топлива.
Примерно 10 % теплоты уходит в атмосферу с дымовыми газами, а более 50
% отводится в процессе охлаждения конденсаторов турбин либо водой,
забираемой из рек или водоемов, либо в градирнях. Происходящее при этом
тепловое загрязнение водоемов при недостаточности защитных мер способно
нарушить условия обитания водной флоры и фауны, привести к развитию в
водоемах нежелательных биологических процессов (разрастанию сине-
зеленых водорослей и т.п.). Тепловые выбросы ТЭС воздействуют на



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика