Теплоэнергетика и окружающая среда

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Существует неразрывная взаимосвязь и взаимозависимость условий обеспечения теплоэнергопотребления и загрязнения окружающей среды. Взаимодействие этих двух факторов жизнедеятельности человека и развитие производственных сил привлекает постепенное внимание к проблеме взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды.

На ранней стадии развития теплоэнергетики основным проявлением этого внимания был поиск в окружающей среде ресурсов, необходимых для обеспечения теплоэнергопотребления и стабильного теплоэнергоснабжения предприятий и жилых зданий. В дальнейшем границы проблемы охватили возможности более полного использования природных ресурсов путём изыскания и рационализации процессов и технологии, добычи и обогащения, переработки и сжигания топлива, а также совершенствования теплоэнергетических установок.

С ростом единичных мощностей блоков, теплоэнергетических станций и теплоэнергетических систем, удельных и суммарных уровней теплоэнергопотребления, возникла задача ограничения загрязняющих выбросов в воздушный бассейн, а также более полного использования их естественной рассеивающей способности.

На современном этапе проблема взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды приобрела новые черты, распространяя своё влияние на громадные объемы атмосферы Земли.

Ещё более значительные масштабы развития теплоэнергопотребления в обозримом будущем предопределяют дальнейший интенсивный рост разнообразных воздействий на атмосферу.

Принципиально новые стороны проблемы взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды возникли в связи с развитием ядерной теплоэнергетики.

Важнейшей стороной проблемы взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды в новых условиях является всё более возрастающее обратное влияние определяющая роль условий окружающей среды в решении практических задач теплоэнергетики (выбор типа теплоэнергетических установок, дислокация предприятий, выбор единичных мощностей энергетического оборудования и многое другое).

1. Теплоэнергетика и окружающая среда

1.1 Понятия взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды

Теплоэнергетика является одной из основных составляющих энергетики и включает в себя процесс производства тепловой энергии, транспортировки, рассматривает основные условия производства энергии и побочные влияния отрасли на окружающую среду, организм человека и животных. [1, c. 473]

Процесс производства тепловой энергии осуществляется на тепловых электрических станциях (ТЭС) и тепловых электрических централях (ТЭЦ). Эти два вида предприятий на данный момент являются основными поставщиками тепловой, а также электрической энергии, поскольку эти виды энергоресурсов очень тесно связаны. В настоящее время широкое применение находит способ поместная система снабжения тепловой энергией, которая применяется как на крупных промышленных предприятиях, так и для отопления жилых площадей. [3, c. 25]

Согласно определению, теплоэнергетика обладает развитыми внешними и внутренними связями и её развитие неотделимо от всех направлений жизнедеятельности человека, связанных с использованием энергии (в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, на транспорте и в быту).

Развитие теплоэнергетики характеризуется ускорением темпов роста, изменением всех количественных показателей и структуры топливно-энергетического баланса, глобальным охватом всех видов ресурсов органического топлива, вовлечением в сферу использованием ядерного горючего.

В общем случае различаются четыре основные стадии трансформации первичных тепловых ресурсов (от их природного состояния, находящегося в динамическом равновесии с окружающей средой, до конечного использования).

1. Извлечение, добыча или прямое использование первичных природных ресурсов тепловой энергии.

2. Переработка (облагораживание) первичных ресурсов до состояния, пригодного для преобразования или использования.

3. Преобразование связанной энергии переработанных ресурсов в тепловую энергию на тепловых станциях (ТЭС), централях (ТЭЦ), на котельных.

Развитие теплоэнергетики оказывает воздействие на различные компоненты природной среды: на атмосферу (потребление кислорода воздуха (О2), выбросы газов, паров, твёрдых частиц), на гидросферу (потребление воды, переброска стоков, создание новых водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов), на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение водного баланса, изменение ландшафта, выбросы на поверхности и в недра твёрдых, жидких и газообразных токсичных веществ). В настоящее время это воздействие приобретает глобальный характер, затрагивая все структурные компоненты нашей планеты.

Взаимодействие теплоэнергетики и окружающей среды происходит во всех стадиях иерархии топливно-энергетического комплекса: добыче, переработке, транспортировке, преобразование и использование тепловой энергии. Это взаимодействие обусловлено как способами добычи, переработки и транспортировки ресурсов, связанных с воздействием на структуру и ландшафты литосферы, потребление и загрязнение вод морей, озёр, рек, изменением баланса грунтовых вод, выделением теплоты, так и использованием тепловой энергии от источников. [3, c. 56]

Обеспеченность ресурсами является основой функционирования теплоэнергетики и всей энергетики в целом в конкретных условиях. До настоящего времени обычно рассматривалась в различных аспектах обеспеченность теплоэнергетики только первичными топливными ресурсами. Но влияние на энергетику оказывают и многие другие компоненты атмосферы, гидросферы, литосферы, которые тоже необходимо принимать во внимание.

1.2 Воздействие тепловой энергетики на окружающую среду

Загрязняющие вещества - химические вещества или их смесь, микроорганизмы (грибки, бактерии, вирусы, споры грибов и другие биологические вещества), поступление которых в атмосферный воздух оказывает вредное воздействие на окружающую среду. [4, статья 1]

Загрязняющие вещества - это вещества, которые оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду либо непосредственно, либо после химических изменений в атмосфере, либо в сочетании с другими веществами и загрязняющими воздействиями.

Атмосферный воздух является основной средой существования биосферы, в том числе человека. В результате развития цивилизации сложившееся на протяжении эволюции Земли постоянное соотношение между основными компонентами воздуха существенно не изменилось.

Основные газы атмосферы (азот, кислород, аргон) по существу прозрачны для длинноволновой и коротковолновой радиации и рассеивают ее. На экологию существенно влияют газовые примеси, которые по происхождению могут быть природными и антропогенными. К их природным источникам относятся ветровая эрозия, вынос солей с поверхности морей и океанов, вулканические и биологические процессы, поступления из космоса.

1.2.1 Воздействие тепловых электрических станций на окружающую среду

Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха происходит вследствие выбросов в атмосферу вредных веществ при работе энергетических установок, работающих на углеводородном топливе (бензин, керосин, мазут, дизельное топливо, уголь).

Одним из основных и самых крупномасштабных источников загрязнения окружающей среды являются ТЭС и ТЭЦ. Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива нетоксичные углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). Кроме этого в воздушную среду выбрасываются такие вредные вещества, как оксиды серы, азота, углерода, в частности угарный газ (СО), соединения тяжёлых металлов, таких как свинец (Рв), сажа, углеводороды, несгоревшие частицы твёрдого топлива, канцерогенный бензопирен (С20Н12).

При сжигании твёрдого топлива в котлоагрегатах ТЭС и ТЭЦ образуется большое количество золы, диоксида серы (SO2), оксидов азота.

Перевод установок на жидкое топливо уменьшает золообразование, но практически не влияет на выбросы SO2, так как в мазуте содержится менее 2% серы.

Особенно опасны сернистый ангидрид, диоксид серы и оксиды азота, выделяемые в атмосферу ТЭС и ТЭЦ, поскольку они переносятся на большие расстояния и осаждаются, в частности, с осадками на поверхность земли, загрязняя гидросферу и литосферу. Одним из особенно ярких проявлений этой картины являются кислотные дожди. Эти дожди образуются вследствие поступлений от сгорающего топлива и уходящих в атмосферу на большую высоту дымовых газами в, основном двуокиси серы и окислов азота. Получающиеся при этом в атмосфере слабые растворы серной и азотной кислоты могут выпадать в виде осадков иногда через несколько дней в сотнях километров от источника выделения.

ТЭС и ТЭЦ являются причиной возникающего в крупных промышленных городах смога: недопустимого загрязнения обитаемой человеком наружной воздушной среды, вследствие выделения в неё указанными источниками вредных веществ при неблагоприятных погодных условиях.

Схема воздействия ТЭС с окружающей средой представлена на рисунке 1.

теплоэнергетика атмосфера выброс азот

Рисунок 1 - Схема воздействия ТЭС с окружающей средой: 1 - котел; 2 - дымовая труба; 3 турбина; 4 - генератор; 5 - подстанция; 6 - конденсатор; 7 - циркуляционный насос; 8 конденсатный насос; 9 - линии электропередач; 10 - потребители электрической энергии; 11 - водоем

В целом можно выделить следующие основные виды негативного воздействия ТЭС, ТЭЦ на окружающую среду:

- загрязнение атмосферы взвешенными частицами (сажа, зола) и химическими веществами (SO, NOX, CO, CO2 и т.д.);

- "парниковый эффект";

- гигантское потребление кислорода, снижающее его концентрацию в атмосфере;

- загрязнение литосферы твердыми отходами (шлакам, золоотвалы), осаждение на поверхности почвы вредных выбросов и миграции их в глубь литосферы;

- непомерное возрастание потребления воды, загрязнение "сточными водами"; [2, с. 13]

- "кислотные дожди";

- тепловые выбросы;

- другие негативные воздействия в том числе шумовое и электромагнитное.

Теплоэнергетика является источникам поступления в окружающую среду более 300 видов веществ, среди которых основную долю составляют:

- диоксид серы;

- оксиды углерода;

- оксиды азота;

- пыль различного происхождения.

Перечень веществ, выбрасываемых предприятиями теплоэнергетики, при работе на разных видах ископаемого топлива представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Перечень веществ, выбрасываемых предприятиями теплоэнергетики, при работе на разных видах ископаемого топлива

В выбросах ТЭС, ТЭЦ также присутствуют элементы примеси, в числе которых весьма токсичные - тяжелые металлы и естественные радионуклиды. [2, с. 14]

2. Различные подходы по уменьшению выбросов в окружающую среду диоксидов азота при сжигании органического топлива

2.1 Образование оксидов азота при горении органических топлив

Оксиды азота, в дальнейшем условно в совокупности обозначаемые, как NOx, определяют на 40-60% токсичность продуктов сгорания угля и мазута и на 95-98% - природного газа.

Напомним, что в дымовых газах оксиды азота преимущественно представлены его монооксидом (NO составляет 95-99% общего выброса NOx). Однако после выброса дымовых газов в атмосферу под воздействием кислорода воздуха большая часть NO превращается в NO2.

Источником оксидов азота может быть молекулярный азот воздуха, используемого в качестве окислителя при горении, или азотсодержащие компоненты топлива.

Таким образом, можно выделить три источника в образовании оксидов азота:

- "топливные" NOx;

- "термические" NOx;

- "быстрые" NOx.

"Топливные" NOx. Этим термином обозначают оксиды азота, образующиеся из азотсодержащих компонентов жидких и твердых топлив (природный газ за редким исключением не содержит связанного азота) при температурах 700-1100°С на начальном (корневом) участке факела.

Содержание азота в большинстве мазутов составляет 0,25-0,35% мас. Содержание азота в твердых видах топлива в зависимости от вида угля составляет от 0,7 до 2,0%. В большинстве проведенных исследований была обнаружена прямопропорциональная зависимость концентрации образующихся оксидов азота от содержания азота в исходном топливе. Кроме того, степень перехода азотсодержащих соединений топлива в оксиды азота быстро нарастает с увеличением коэффициента избытка воздуха, подаваемого на горение.

"Термические" NOх. Эти оксиды образуются за счет окисления молекулярного азота кислородом воздуха. Их образование идет при высокой (максимальной) температуре (Т = 1800-1900 К), т.е. в зоне факела, где уже сгорела основная масса топлива, и при условии высокой концентрации кислорода. [3, с. 41]

В так называемых "низкотемпературных" топочных устройствах, в которых максимальная температура не превышает 1500 К, термические NOx вообще не учитывают ввиду их малости. Такое положение характерно для пылеугольных топок с прямым сжиганием высоковлажных бурых углей или при высокой доле рециркуляции газов, подаваемых через горелки.

"Быстрые" оксиды азота.

Данный вид оксидов азота образуется в зоне достаточно низких температур (в корневой части факела; там же идет образование и топливных оксидов азота) в результате реакции углеводородных радикалов с молекулой азота (радикалы СН, выступающие в горении в качестве промежуточного компонента, реагируют с азотом и образуют цианисто-водородную кислоту HСN, которая затем сложным образом реагирует с образованием NO).

Образование "быстрых" оксидов азота прежде всего зависит от концентрации радикалов в корневой части факела.

Следовательно, существенное количество быстрых NOx образуется только при сжигании газа и коэффициенте избытка воздуха несколько меньше 1,0.

Вклад различных видов оксидов азота в общую картину эмиссии NOx показан на примере сжигания пыли каменного угля (рисунок 2).

Рисунок 2 - Эмиссия NOx при сжигании пыли каменного угля

Из графика видно, что топливные и быстрые NOx слабо зависят от температуры.

Снижение выбросов оксидов азота возможно добиться двумя основными путями:

- технологическое подавление образования;

- очистка дымовых газов. [2, с. 42]

2.2 Технологическое подавление образования NOx

В таблице 2 приведена характеристика основных технологических приемов подавления процессов образования NOx.

Таблица 2. Эффективность применения различных способов снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания топлива

2.2.1 Рециркуляция дымовых газов

Рециркуляция дымовых газов находит применение в газомазутных котлах. Подача некоторой части дымовых газов из газохода за котлом в ядро горения уменьшает максимальную температуру и действующую концентрацию кислорода. Результатом этого является снижение количества оксидов азота в продуктах сгорания.

Эффективность этого метода подавления NOx определяется не только количеством рециркулирующих дымовых газов, но также способом их подачи в ядро горения и уровнем температуры в топке до ввода газов рециркуляции. При низкотемпературном сжигании эффективность рециркуляции может оказаться незначительной (температура при сжигании твердых углей и так (без рециркуляции) невелика), но при сжигании газа и мазута в высоконапряженных топках даже умеренная рециркуляция дымовых газов позволяет в 3-4 раза снизить выбросы NOx.

Для пылеугольных котлов рециркуляция газов практически неприменима. На пылеугольных котлах эффект от рециркуляции может быть получен только в случае замещения этими газами первичного воздуха, транспортирующего угольную пыль к горелкам. [2, с. 43]

Для котлов с жидким шлакоудалением рециркуляция нежелательна, так как высокий уровень температуры здесь необходим для надежного выхода жидкого шлака.

2.3 Очистка дымовых газов от оксидов азота

Кроме описанных выше технологических методов подавления NOx известны и освоены в промышленном масштабе методы очистки дымовых газов от оксидов азота. Практическое применение в энергетике нашли лишь две технологии очистки: селективное каталитическое восстановление и селективное некаталитическое восстановление с использованием аммиака, аммиачной воды или мочевины.

Эффективность этих методов очистки достаточно высока: метод селективно каталитического восстановление, например, позволяет снизить выбросы NOx на 90%. Другим важным достоинством указанных методов очистки дымовых газов является отсутствие побочных продуктов, так как в результате взаимодействия NO с аммиаком образуются безвредные водяные пары и азот N2. К сожалению, большие капитальные затраты (особенно в случае применения селективно каталитического восстановление) и эксплуатационные расходы (связанные с высокой стоимостью мочевины или аммиака), а также дополнительные требования, усложняющие эксплуатацию котельных установок, препятствуют широкому внедрению методов очистки дымовых газов от NOx на электростанциях.

2.3.1 Селективное каталитическое восстановление оксидов азота

Процесс основан на селективном протекании химической реакции оксидов азота с аммиаком:

4NH3 + 4NO + O2 = 4N2 + 6 H2O

Дымовые газы в смеси с аммиаком и воздухом проходят в реакторе через катализатор при температуре 300-400°С.

Смонтированные установки очищают дымовые газы с расходом от 2000 до 2 500 000 нм3 /ч. Их располагают либо сразу за экономайзером (для газомазутных котлов, а также для пылеугольных с низким содержанием золы), либо после электрофильтра или после сероочистки (для высокосернистых топлив и углей с высоким содержанием золы).

2.3.2 Селективное некаталитическое восстановление оксидов азота

Принципиальное различие технологий селективно каталитического восстановление и селективно некаталитического восстановление заключается в том, что в процессах селективно каталитического восстановление эффективное восстановление NOx происходит на поверхности катализатора при температуре 200-400°С, а в процессах селективно некаталитического восстановление - в газовой фазе при температуре 850-1050°С.

Этот метод не требует крупных затрат, связанных с приобретением катализатора и оборудования для его размещения. В связи с этим, по разным оценкам, стоимость строительства систем селективно некаталитического восстановление примерно на порядок ниже, чем установок селективно каталитического восстановление.

Установки селективно некаталитического восстановление очищают дымовые газы с расходом от 10 000 до 400 000 м³/ч. Эффективность очистки газов в промышленных условиях составляет от 75 до 90%.

Недостатками этого метода является повышенный проскок аммиака при температуре газов ниже 950°С, который не только загрязняет атмосферу, но и при сжигании серосодержащего топлива еще и забивает воздухоподогреватель из-за образования гидросульфата аммония NH4HSO4.

Для устранения недостатков обоих методов была разработана гибридная схема, объединяющая селективно каталитического восстановление и селективно некаталитического восстановление. Экспериментальные исследования показали, что гибридная схема оказывается оптимальным решением проблемы выбросов NOx. [3, с. 44-45]

Размещено на Allbest.ru