Выбор природоохранных технологий для предприятий энергоснабжения

Размещено на http://allbest.ru

Дипломная работа

Выбор природоохранных технологий для предприятий энергоснабжения



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Предприятия теплоэнергетики и окружающая середа

1.1 Воздействие ТЕС на атмосферу

1.2 Воздействия на водные объекты

1.3 Образование отходов

Глава 2. Методические подходы к оценке воздействий ТЭС на окружающую среду

2.1 Оценка ТЭС как источника загрязнения атмосферы

2.2 Эколого-экономическая оценка загрязнения атмосферы ТЭС

2.3 Методы оценки экологических рисков, связанных с деятельностью ТЭС

Глава 3. Оценка ТЭС и обоснование природоохранных работ

3.1 Краткая характеристика вашего объекта

3.2 Оценка выбросов

3.3 Оценка эколого-экономического ущерба от загрязнения

3.4 Расчет рисков и построение зон рисков

3.5 Рекомендации по оптимизации

Выводы

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы - выбор природоохранных технологий для предприятий теплоэнергоснабжения.

Для выполнения намеченной работы поставлены следующие задачи:

-ознакомиться с литературными данными о воздействии теплоэнергетики на окружающую природную среду;

-ознакомиться с методами оценки воздействия ТЭС на окружающую природную среду;

-ознакомиться с методами эколого-экономических оценок воздействий; оценить воздействия ТЭС на окружающую природную среду;

-предложить мероприятия по уменьшению выбросов в атмосферу и оптимизации воздействия ТЭС на прилегающую территорию.

ГЛАВА 1. ПРЕДПРИЯТИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

Тепловая электрическая станция (ТЭС) представляет собой комплекс оборудования и устройств, преобразующих химическую энергию топлива в электрическую и тепловую энергию [41].

Тепловые электростанции характеризуются большим разнообразием и классифицируются по различным признакам:

- по назначению и виду отпускаемой энергии электростанции (районные и промышленные;

- по виду используемого топлива - работающие на органическом топливе и ядерном горючем. В качестве органического топлива используется газообразное, жидкое и твердое топливо - природный газ, мазут, низкокалорийный уголь или отходы высококалорийного каменного угля;

- по типу теплосиловых установок, используемых на ТЭС для преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения роторов турбоагрегатов. Различают паротурбинные, газотурбинные и парогазовые электростанции. Парогазовые тепловые электростанции комплектуются парогазовыми установками (ПГУ), обеспечивающими высокую экономичность [30].

Загрязняющие выбросы от тепловых электростанций (ТЭС) приводят к ухудшению параметров живой и неживой природы, являющихся неотъемлемыми компонентами окружающей среды. Под загрязнением окружающей среды подразумевается изменение ее свойств - химических, механических, физических, биологических и связанных с ними информационных. Загрязнение окружающей среды от ТЭС делится на:

- локальное;

- региональное;

- глобальное.

Поскольку распространение загрязняющих веществ происходит в основном в воздушной среде, где невозможно приостановить естественные процессы диффузии воздушных масс, то все эти виды загрязнений очень взаимосвязаны между собой. Вначале происходит локальное загрязнение, которое постепенно переходит в региональное при условии, что скорость процесса загрязнения выше скорости естественного очищения. Затем оно переходит в глобальное изменение качества окружающей среды при достаточном накоплении количественных изменений. При глобальном загрязнении главным является временный фактор.

Строительство высотных и сверхвысотных труб ТЭС основано на принципах способности атмосферы к естественному самовосстановлению [32]. В атмосферу из дымовых труб поступают тепловые выбросы, токсичные вещества, твердые микрочастицы, которые рассеиваются в большом объеме воздуха. Но, вследствие резкого возрастания объемов выбросов, масштабы загрязнения очень приблизились и даже часто превышают пределы самовосстановления атмосферы. Сжигание углей на ТЭС происходит в пределах температуры 1100-1600 ^oС. При сгорании органического вещества углей образуются летучие соединения в виде пара и дыма, а негорючая минеральная часть топлива выделяется в виде твердых остатков, образующих пылевидную массу (золу) и кусковые шлаки. Количество твердых остатков от бурых и каменных углей колеблется в пределах 15-40%. При сгорании измельченного твердого топлива легкие и мелкие частицы золы уносятся с дымовыми газами, и называются «золы уноса». Размер частиц золы уноса составляет от 3-5 до100-150 мкм. Количество крупных частиц обычно не превышает 10-15%. В экономически развитых стран в структуре топливного баланса ТЭС чаще всего используется уголь, поскольку он дешевле нефти и газа, а использование современных технологий его сжигания способствует уменьшению вредных отходов [43].

В мире добыча угля составляет в среднем 25-30% топливного баланса. Степень использования угля тепловыми электростанциями в экономически развитых странах, например, таких как США, составляет 80%, а нефти и газа - 6 и 14% соответственно. В мировом масштабе происходит перевод энергоснабжения на каменный уголь. В энергетическом балансе России уголь занимает намного меньшую долю, чем в среднемировом. По статистическим отчетам в энергобалансе страны доля угля составляет не более 18% [16].

В результате промышленной деятельности ТЭС в области производства тепловой энергии в окружающей среде происходит ряд существенных изменений:

- наличие в воздухе газовых примесей увеличено 5-25 раз;

- наличие частиц, являющихся ядрами конденсации в 10 раз больше;

- количество облаков увеличивается на 5-10%;

- количество туманов зимой на 100% больше, летом на 30%;

- число осадков в различные периоды года на 5-10% больше;

- относительная влажность уменьшена летом на 2%, зимой на 8%;

- солнечное излучение уменьшено на 3-20%;

- температура повышается на 1-2 єС;

- скорость ветра на 5-30% больше.

1.1 Воздействия на атмосферу

Загрязнение атмосферы происходит при внесении в ее состав примесей, которые не содержатся в природном воздухе или изменяют соотношение между ингредиентами природного состава воздуха.

В настоящее время ТЭС оказывают наибольшее отрицательное воздействие на окружающую природную среду, которое заключается в загрязнении атмосферного воздуха мелкими твердыми частицами загрязняющих веществ - золы, выбросами окислов серы, сопутствующих выбрасываемым газам, окислов азота [12].

В год на предприятиях электроэнергетики образуется около 8,1 млн. т токсичных отходов. Различные вещества, образуемые при сгорании органического топлива и называемые примесными выбросами, выбрасываются в атмосферу и с течением времени изменяют такие параметры как: температура, фазовое и агрегатное состояние, токсические свойства, разлагаются с образованием новых соединений.

Примеси выбрасываемых в атмосферу веществ составляют продукты реакций в виде паров, газов, твердых и жидких частиц. В процессе рассеивания примесей могут происходить качественные изменения в их составе, проявляемые в виде: осаждения тяжелых фракций; химических реакций с компонентами воздуха; распада на компоненты по массе и размерам; взаимодействия с атмосферными осадками, облаками, воздушными течениями, солнечным излучением фотохимические реакции и др.

Для снижения выбросов мелких частиц золы, на ТЭС применяют фильтры с высоким КПД - около 95-99%. Но, на многих электростанциях, работающих на каменном угле, такие фильтры быстро засоряются, а их КПД снижается до 80% и ниже. Окислы серы образуются при сжигании любого вида топлива, в котором содержится сера а (природного газа, угля, мазута). При сжигании любого топлива образуются окислы азота, причем, чем выше температура, тем большее количество их выделяется. Для избежания выброса предельных концентраций SO_X и NO₂ при строительстве электростанций используются высокие выхлопные трубы - до 320-350 м. [12].

При эксплуатации тепловых электростанциях окислы углерода не создают серьезных опасений. В продуктах сгорания ТЭС практически полностью отсутствует продукт неполного сгорания углерода СО, который вредно действует на людей даже в малых концентрациях [1]. Выбросы углекислого газа СО₂ присутствуют в составе атмосферы в количестве около 0,03% по объему, зависящие не от человеческой деятельности, а вследствие парникового эффекта атмосферы и связанного с этим повышения температуры атмосферы.

ТЭС работают на органическом топливе, в качестве которого часто используют более дешевые мазут и уголь. Эти виды топлива являются невосполнимыми природными ресурсами. Сегодня в мире основными энергетическими ресурсами считаются уголь (40%), нефть (27%) и газ (21%).

По оценкам экспертов этих запасов хватит на 270, 50 и 70 лет соответственно, - при условии, что человечество будет расходовать эти ресурсы с такой же скоростью, как и сегодня. В целях экономии качественного топлива, ТЭС работают на низкосортном, в процессе сгорания которого образуются загрязняющие вещества. Эти вещества, выбрасываемые с дымом в атмосферу, неблагоприятно влияют на окружающую среду, а продукты сгорания вызывают выпадение кислотных осадков и парниковый эффект, приводящий к засухам.

При сжигании топлива на ТЭС образуются продукты сгорания, которые содержат летучую золу, частицы несгоревшего пылевидного топлива, серный и сернистый ангидриды, оксиды азота, газообразные продукты неполного сгорания, пылевые частицы различного состава, оксиды азота, оксиды серы, оксиды металлов, фтористые соединения, газообразные продукты неполного сгорания топлива [5]. Кроме того, при сжигании мазута образуются соли натрия, соединения ванадия, кокс, частицы сажи. Зола некоторых топлив содержит мышьяк, диоксид кремния, оксид кальция и т.д.

Перевод производства с твердого топлива на газовое приводит к значительному удорожанию производимой энергии и, тем не менее, не решает проблему загрязнения атмосферы. Использование жидкого топлива существенно уменьшает золообразование, но это мало снижает объемы образования выбросов окиси серы, поскольку мазуты, которые применяются в качестве топлива, содержат больше 2% серы. При сжигании газа в выбросах в больших количествах содержится оксид серы, а содержание оксида азота не меньше, чем при сжигании твердого топлива - угля.

Вредное воздействие выбросов. Помимо основных компонентов, образующихся при сжигании органического топлива, в выбросах ТЭС содержатся пылевые частицы, имеющие различный состав, оксиды азота и серы, оксиды металлов, фтористые соединения и газообразные продукты неполного сгорания топлива. Попадая в атмосферу, они наносят большой вред не только основным компонентам биосферы, но и предприятиям, другим объектам городского хозяйства, транспорту и местному населению. Но наибольший ущерб наносится здоровью человека.

Распространение перечисленных выбросов ТЭС в атмосферу зависит от скорости ветра, рельефа местности, высоты облачности, их перегрева относительно к температуре окружающей среды, фазового состояния и интенсивности осадков. Взаимодействие выбросов с туманом приводит к образованию устойчивого сильно загрязненного мелкодисперсного облака - смога, наиболее плотного у поверхности земли. Одним из видов воздействия ТЭС на атмосферу является все возрастающее потребление воздуха, необходимого для сжигания топлива [5].

Газообразные выбросы. В составе дымовых выбросов ТЭС содержатся вещества, которые относятся к категории вредных. Они несут существенную опасность для здоровья людей и окружающего животного и растительного мира. В зависимости от используемого топлива изменяется и состав вредных выбросов. Так, при сжигании твердых и жидких топлив выбрасываются вредные вещества в виде золы, сажи, оксидов серы (SO₂ и SO₃), окислов азота; при сжигании газа выбросы содержат окислы азота и сажу. Окислы азота в основном состоят из двуокиси азота (NO₂) [37].

Дымовые газы паровых котлов всегда содержат незначительные количества продуктов механического и химического недожога в виде коксовых частиц, летучих углеводородов, окиси углерода. В составе углеводородов присутствует сильнодействующее канцерогенное вещество бензапирен.

На рисунке 1.1 представлена структура выбросов загрязняющих веществ, состоящая из 27,5% оксидов азота, 36,5% диоксида серы, 3,40% оксида углерода, 31% твердых частиц (золы) и прочих - 1,7% [33].

Оксид углерода (СО) представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха. СО образуется в результате неполного сгорания топлива (угля, нефти, газа) в условиях низкой температуры и недостатка кислорода. При высоких концентрациях в воздухе СО оказывает неблагоприятное действие на организм человека - оксид углерода, соединяясь с гемоглобином крови, лишает организм кислорода и приводит к нарушению нервной системы.

Рисунок 1.1 - Структура выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от ТЭС, % [33]

Двуокись углерода СО₂ представляет собой бесцветный газ с кисловатым вкусом и запахом, продукт полного окисления углерода. Является одним из парниковых газов, поэтому увеличение его концентрации в атмосфере, приводит к возникновению так называемого «парникового эффекта». Окислы углерода почти не взаимодействуют в атмосфере с другими веществами и их время существования практически не ограничено [35].

Окислы серы образуются при сгорании серосодержащих ископаемых видов топлива, преимущественно угля. Сернистый ангидрид (SO₂) составляет около 99% выбросов сернистых соединений, содержащихся в уходящих газах от ТЭС. SO₂ - бесцветный газ с резким запахом, является одним из наиболее токсичных газообразных выбросов энергетических установок. Прежде всего, он участвует в формировании кислотных дождей. Продолжительность пребывания SО₂ в атмосфере в присутствии аммиака и некоторых других веществ, время его жизни сравнительно невелико и исчисляется несколькими часами. Например, в относительно чистом воздухе оно составляет 15-20 суток. Воздействие серы на людей, животных и растения разнообразно, зависит от концентрации и различных факторов окружающей среды. Так, концентрации SО₂ в воздухе более 2 мг/л вызывают у людей воспаление слизистых оболочек, а при длительном воздействии - катар дыхательных путей. Растения еще более чувствительны к присутствию SО₂ в воздухе, которая вызывает торможение роста, разрушение хлорофилла растений, что приводит к повреждениям хвои и листьев, и как следствие - гибель. Металл под воздействием окислов серы интенсивно корродирует, а строительные конструкции разрушаются.

При всех процессах горения азот с кислородом образует ряд соединений: NO, N₂O, NO₂, N₂O₃, N₂O₄, N₂O₅, которые существенно различаются своими свойствами, включая время существования - сроком от 100 часов до 4,5 лет. Из окиси (NO) при окислении атмосферным кислородом образуется двуокись азота. Концентрация NO повышается одновременно с ростом температуры и со временем пребывания газа в топке, в том числе при увеличении концентрации кислорода. В топке заканчивается образование NO, его окисление до NO₂ продолжается в конвективных газоотходах, а заканчивается в атмосфере. Из-за высокой растворимости в воде (дождь, облака) и сорбции на увлажненных поверхностях, азотная кислота попадает на земную поверхность. При солнечном свете окислы азота реагируют с несгоревшими углеводородами с образованием низкоатмосферного озона или смога, понижая при этом прозрачность атмосферы. Окислы азота оказывают на человека действие аналогичное окислам серы, но в более сильной степени, поскольку имеют наиболее высокую биологическую активность и оказывают сильное раздражающее действие на слизистую оболочку глаз и дыхательные пути [35].

Пентаксид ванадия (V₂O₅) отличается токсичностью, вызывает раздражение дыхательных путей у людей и животных, расстройство нервной системы и кровообращения, нарушение обмена веществ.

Бенз(а)пирен является своеобразным канцерогеном, способным вызывать онкологические заболевания. Поэтому сооружение тепловых электростанций производится при соблюдении требований, касающихся предельно допустимых концентраций основных выбросов предприятий, загрязняющих атмосферу отходящими газами. Предельно допустимой считается концентрация, не оказывающая прямого или косвенного вредного воздействия на человека, не снижающая его работоспособности и не влияющая на его самочувствие.

Большую экологическую опасность для людей представляют тяжелые металлы, которые при попадании в больших количествах в организм человека, в течение короткого времени они могут вызывать острое отравление, а при хроническом воздействии малых доз в течение длительного времени может проявляться канцерогенное действие хрома, мышьяка, никеля и др. В годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн. кВт, при пересчете на летальные дозы, содержится магния - 1,5 млн. доз, алюминия и его соединений - свыше 100 млн. доз, железа - 400 млн. доз. В выбросах угольных ТЭС содержатся также окислы кремния и алюминия. Эти абразивные материалы способны разрушить легочную ткань и вызвать такое заболевание, как силикоз, которое обычно является профессиональным заболеванием шахтеров [35].

Выбросы твердых частиц. Атмосферные выбросы ТЭС, которые содержат твердые частицы механического недожога, с воздухом образуют дисперсные системы - аэрозоли, которые делятся на:

- пыль (размер частиц > 1 мкм),

- дым (размер твердых частиц < 1 мкм),

- туман (размер жидких частиц < 10 мкм).

Аэрозоли разделятся на первичные, которые непосредственно выбрасываются в атмосферу, и вторичные - образуются в атмосфере. Время существования в атмосфере аэрозолей колеблется от нескольких минут до нескольких месяцев, в зависимости от многих факторов. На высоте 1 км крупные аэрозоли существуют 2-3 суток, в тропосфере - 5-10 суток, в стратосфере - несколько месяцев. Размеры твердых частиц сильно отличаются: крупнодисперсные частицы имеют размер > 50 мкм, среднедисперсные - 50-10 мкм, мелкодисперсные < 10 мкм. Аэрозоли чаще всего содержат частицы разного размера и называются полидисперсные.

Основными источниками антропогенных аэрозольных загрязнений являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности. При этом возникающие твердые частицы находятся в атмосферном воздухе во взвешенном состоянии, как и твердые частицы сажи или золы, выбрасываемые в атмосферу с топочными газами.

Запыление воздуха повышает отражательную способность атмосферы и является причиной значительного изменения погоды в зоне действия таких выбросов, более частых туманов и дождей. В том числе инертные твердые частицы загрязняют листовую поверхность растений, что является следствием нарушения нормального их функционирования, запыления различных сооружений и механизмов. Воздух, насыщенный пылью, приводит к заболеванию дыхательных путей человека и животных.

Выбросы влаги. Поступление влаги в атмосферу от теплоэнергетических объектов вызвано различными процессами, которые имеют различные температуры и энергии (сгорание топлива, протечки, продувки и др.). Испарительные градирни служат мощными источниками антропогенной влаги и тепла, которые оказываю влияние на термодинамический режим нижнего слоя атмосферы в пределах распространения пароконденсатного факела.

Поведение влаги в атмосфере отличается разнообразием, зависит от локальных концентраций и фазовых переходов и может производиться только в условиях естественного атмосферного влагосодержания, которое, в свою очередь, зависит от взаимодействия с литосферой и гидросферой и с тепловыми процессами.

Химическое загрязнение атмосферы происходит в результате выброса загрязняющих веществ из дымовых труб. Уровень загрязнения атмосферы определяется типом сжигаемого топлива, высотой дымовых труб, технологией очистки выбросов, характером рельефа местности, климатическими условиями атмосферной дисперсии.

Поскольку на ТЭС сжигается большое количество топлива, объем загрязняющих веществ, попадающих в атмосферу, весьма значителен. Результаты исследований процессов самоочищения атмосферы от твердых частиц показывают, что частицы размером более 10 мкм относительно быстро оседают на земную поверхность, в то время как частицы размером 4-10 мкм могут увлекаться дымом до высот более 1 км и перемещаться по горизонтали на расстояния в сотни и даже тысячи километров [1, 32, 33, 41]. Более мелкие частицы плохо осаждаются с дождевыми каплями и способны мигрировать в атмосфере годами [32]. Оседающие на земную поверхность частицы выбросов угольных ТЭС, содержащие большие количества тяжелых металлов, проникают в почву и грунтовые воды, а также смываются в поверхностные воды [12, 38]. Несмотря на это обстоятельство, идентифицировать зоны загрязнения при дальнем переносе частиц выбросов крайне сложно и возможно лишь с помощью тонких химико-аналитических методов. Реально выявить горизонтальный масштаб загрязнения можно лишь в десятки километров [1].

Согласно данным климатического справочника [13], высота слоя перемешивания атмосферы изменяется от нескольких сотен метров до 3 км. Отсюда следует, что вертикальный масштаб загрязнения атмосферы составляет 1 км. При залповых выбросах масштаб распространения загрязнений остается таким же, что и в штатном режиме работы ТЭС.

На состояние атмосферы оказывают влияние не только дымовые трубы ТЭС, но и градирни, пароконденсатные факелы которых могут приводить к туманам и моросящим осадкам, распространяющимся на несколько километров. При неустойчивом состоянии атмосферы пароконденсатные факелы могут подниматься до высот облаков нижнего яруса - по меньшей мере, до 1-2 км [2].

1.2 Воздействия на водные объекты

Загрязнение водных бассейнов из-за деятельности ТЭС происходит двумя путями - в результате сброса загрязненных сточных вод и вследствие вымывания и осаждения атмосферными осадками взвешенных частиц, выброшенных из дымовых труб [38]. Кроме химического загрязнения водных объектов происходит и их тепловое загрязнение вследствие функционирования системы охлаждения. Совокупное тепловое и химическое загрязнения водоемов-охладителей является следствием деградации не только водных экосистем, но и самих водохранилищ [2, 12].

Основными факторами воздействия ТЭС на водные являются выбросы теплоты, следствием которых могут быть: постоянное локальное повышение температуры в водоеме; временное повышение температуры; изменение условий ледостава, зимнего гидрологического режима; изменение условий паводков; изменение распределения осадков, туманов, испарений [5].

На ТЭС с охлаждающей водой сбрасывается от 4 до 7 кДж теплоты на каждый 1 кВт/ч выработанной электроэнергии. По санитарным нормам тепловые сбросы не должны повышать собственную температуру водоема более чем на 5°С в зимнее время и 3°С в летнее.

Предприятия ТЭС производят следующие сбросы сточных вод:

- на поля фильтрации;

- в поверхностные водные объекты;

- в систему канализации [28].

К сточным водам ТЭС относятся следующие воды: содержащие нефтепродукты, после обмывки поверхностей нагрева паровых котлов, сбросные после установок химической очистки, консервации и промывок оборудования, а также систем гидрозолоудаления.

Количество сточных вод, содержащих нефтепродукты, не зависит от типа оборудования и мощности станции, хотя при использовании жидкого топлива оно немного выше, чем для ТЭС на твердом топливе. Их количество в основном зависит от качества монтажа и эксплуатации оборудования электростанции.

Совершенствование конструкции оборудования, соблюдение правил его эксплуатации позволяют снижать количество поступающих в сточные воды нефтепродуктов до минимальных значений, а применение различных ловушек и отстойников позволяет исключать их попадание в окружающую природную среду [39].

Выбросы, выделяемые при производстве электроэнергии, опосредованно влияют на все компоненты окружающей природной среды, что наносит невосполнимый ущерб состоянию атмосферы, гидросферы и литосферы. Выделяют наиболее значимые последствия влияния работы ТЭС на компоненты окружающей среды:

- выбросы на поверхность воды и суши твердых и жидких топлив при транспортировке, перегрузке, переработке;

- выпадение кислот, кислотных осадков, канцерогенных металлов и веществ, при взаимодействии жидких и твердых компонентов выбросов со средой;

- изменение свойств воды, ее цветности и проч., при осаждении выбросов твердых частиц, образованных при сгорании органического топлива;

- выбросы продуктов сжигания твердых топлив (зола, шлаки), а также продуктов очистки, продувок поверхностей нагрева (зола, сажа и пр.);

- выбросы жидких и твердых радиоактивных отходов, характеризуемые условиями их распространения в гидросфере;

- использование больших объемов воды при производстве теплоэнергии приводит к изменению естественного материального баланса водной среды (перенос питательных веществ, солей и проч.);

- следствиями выбросов теплоты являются: временное повышение температуры; локальное повышение температуры в прилегающих водных источниках; изменение условий наступления паводков; изменение испарений туманов, количеств осадков; изменение условий ледостава зимнего гидрологического режима;

- постройка энергетических объектов обязательно влечет за собой изменение природного ландшафта и потребление ресурсов литосферы, что подразумевает: появление водохранилищ, вырубку лесов, изъятие пахотных земель из сельскохозяйственного оборота;

- создание водохранилищ в долинах рек или с применением естественного рельефа поверхности, создание искусственных прудов-охладителей, что является следствием: изменения количественного и качественного состава речных стоков; изменения гидрологии водного бассейна; увеличения давления на дно, проникновения влаги в разломы земной коры и изменения сейсмичности; изменения условий рыболовства, развития планктона и водной растительности; изменения микроклимата; изменения условий отдыха, бальнеологических и других факторов водной среды;

- воздействие выбросов и изменение характера взаимодействия водных бассейнов и суши на свойства и структуру континентальных шельфов.

Основным фактором взаимодействия ТЭС на водную среду является потребление воды техническими системами водоснабжения станций, включая безвозвратное водопотребление. Основная часть расхода воды в таких системах используется на охлаждение конденсаторов поровых турбин. Остальные потребители технической воды, такие как системы золоудаления, шлакоудаления, химводоотчистки, промывки и охлаждения оборудования, потребляют порядка 7% общего расхода воды. Эти потребители воды одновременно являются главными источниками примусного загрязнения. Водный баланс теплоэлектростанций зависит от организации системы технического водоснабжения. Для систем гидро-золоудаления используют воду из системы охлаждения подшипников, а на химводоотчистку можно использовать циркуляционную воду после ее выхода из конденсаторов.

При промывке поверхностей нагрева котлоагрегатов ТЭС мощностью 300 МВт образуется около 10 тыс. м³ разбавленных растворов едкого натра, аммиака, соляной кислоты, солей железа, аммония и других веществ. Таким образом, воздействие ТЭС на водный бассейн зависит от конструкции подводящих и отводящих каналов, сбросных устройств, фильтров и др. [33].

Кроме выбросов в атмосферный воздух и водные бассейны, существует еще одна проблема, связанная с золоотвалами от угольных ТЭС, которые требуют значительные территории для их размещения и являются источником накопления тяжелых металлов и характеризуются повышенной радиоактивностью. Тяжелые металлы и радиация загрязняют окружающую среду воздушным путем или миграцией с грунтовыми водами.

При сбрасывании ТЭС в водоемы теплой воды, происходит ее загрязнение, поскольку возникает цепная реакция: водоем зарастает водорослями, в нем нарушается кислородный баланс, что в свою очередь влечет угрозу жизни всем его обитателям. Как отмечено ранее, с охлаждающей водой тепловые электростанции сбрасывают от 4 до 7 кДж теплоты, на 1 кВт/ч вырабатываемой электроэнергии. Но, в соответствии с санитарными нормами сбросы теплой воды с теплоэлектростанций не должны повышать температуру водоема больше, чем на 3^оС в летнее время и на 5^оС зимой. Земли, расположенные непосредственно вблизи водохранилищ тепловых электростанций, постоянно подвергаются потоплению вследствие повышения уровня грунтовых вод, что приводит к заболачиванию значительных территорий. Под действием теплой воды при формировании береговой линии разрушаются значительные участки почвы и происходит абразия. Абразионные циклы длятся в течение десятилетий, во время этого происходит переработка большого объема почвогрунтов, заиливание дна водоема, загрязнение воды.

Загрязняют водоемы, как и окружающую среду в целом, и сточные производственные воды ТЭС, которые содержат нефтепродукты. Такие воды теплоэлектростанция сбрасывает после химической промывки оборудования, поверхностей нагрева паровых котлов, систем гидрозолоудаления. Объемы загрязненных производственных сточных вод, содержащих нефтепродукты, не зависят от мощностей ТЭС и типов установленного оборудования. Тем не менее, на станциях, где применяется жидкое топливо, объемы производственных сточных вод немного выше. Их количество зависит, в том числе, от качества монтажа оборудования станции и условий его эксплуатации. Снижение количества нефтепродуктов, сбрасываемых в сточные воды, зависит от усовершенствования конструкции оборудования тепловых электростанций и соблюдения норм его эксплуатации. В том числе, применение отстойников и ловушек почти полностью исключает попадание таких стоков во внешнюю среду при условии технической исправности очистных сооружений.

Строительство золошлакоотвалов и водохранилищ обязательно сопутствуют такие процессы, как рытье котлованов, буровзрывные и другие виды работ, которые характеризуются распространением негативного воздействия на окружающую среду с горизонтальными масштабами от 1 до 10 км и вертикальными масштабами в десятки метров. Аварийные ситуации могут приводить к загрязнению артезианских вод большой горизонтальной протяженностью зоны загрязнения (до сотен километров), что зависит от площади депрессионных воронок водозаборов, а глубина зоны загрязнения таких вод может достигать сотен метров [17]. При эксплуатации ТЭС в случае нарушения герметичности ложа золошлакоотвалов и миграции загрязненных вод в водонесущие горизонты при может произойти катастрофическое загрязнение артезианских и грунтовых вод. Также возможными причинами загрязнения подземных вод могут быть проливы технологических растворов, мазута из топливных резервуаров, нарушение эксплуатацииподземных вод.

Зафиксированы случаи аварийного сброса загрязненных вод, горизонтальный масштаб загрязнения которых может достигать сотен километров, а вертикальный масштаб в таких ситуациях соответствует глубине водного объекта и составляет десятки метров. К чрезвычайным ситуациям с серьезными экологическими последствиями относится прорыв дамбы мокрых золошлакоотвалов, произошедший в США в 2008 году на предприятии «TVA Kingston» по складированию угольной золы [44]. В результате прорыва дамбы потоки отходов шлама загрязнили реки Клинч и Эмори бассейна рекиТеннеси [45].

Система технического водоснабжения ТЭС обеспечивает подачу большого количества холодной воды, идущую для охлаждения конденсаторов турбин. Системы водоснабжения делятся на прямоточные, оборотные и смешанные. В прямоточных системах водоснабжения вода насосами забирается из естественного источника (например, реки), проходит конденсатор и сбрасывается обратно. За это время вода нагревается на 8-12 °C, что приводит к изменению биологического состояния водоемов. В оборотной системе вода под воздействием циркуляционных насосов циркулирует и охлаждается воздухом. Охлаждение может происходить на поверхности водохранилища-охладителя или в искусственных сооружениях: градирнях или бассейнах.

Система химической водоподготовки производит химическую очистку и глубокое обессоливание воды, которая поступает в паровые турбины и паровые котлы, что обеспечивает отложения солей на внутренних поверхностях оборудования. Помимо этого, на ТЭС создают многоступенчатые системы очистки сточных вод, которые загрязнены маслами, нефтепродуктами, водами промывки и обмывки оборудования, талыми и ливневыми стоками.

Происходит также тепловое загрязнение воды при использовании охлаждения открытого типа. Экологические последствия теплового загрязнения характеризуются отрицательным воздействием на водные организмы, включая изменение их репродуктивных функций.

Потребление воды на ТЭС. На паротурбинных электростанциях выработка энергии связана с большими расходами воды, включая максимальное потребление на конденсацию пара, образующуюся в конденсаторах турбин. На КЭС удельный расход воды зависит от начальных параметров и составляет летом 0,125-0,42 м³/кВт/ч, и в зимний период 0,09-0,3 м³/кВт/ч. При условии, что расходы воды на конденсатор турбин принимаем за 100%, расходы воды другими потребителями ТЭС будут составлять следующие значения:

- газоохладители и воздухоохладители - 2,5-12,5%;

- добавочная вода на КЭС - 0,04-0,12%;

- добавочная вода на ТЭЦ - 0,5-0,8%;

- хозяйственные нужды - 0,03-0,05%;

- масляные холодильники - 1,2-3,5%;

- охлаждение вспомогательных механизмов - 0,7-1,0%;

- система ЗШУ - 2-6%;

- восполнение потерь в системах оборотного водоснабжения - 4-7 м.

Таким образом, на все остальные потребители дополнительный расход воды составляет около 10-30%.

1.3 Образование отходов

Современная энергетика привносит ощутимый вред окружающей природной среде, ухудшая условия жизни населения. Технология производства электрической энергии на тепловых электростанциях связана с большим количеством отходов, которые сбрасываются в окружающую природную среду. На сегодняшний день проблема влияния энергетики на природу является особенно острой, поскольку загрязнение окружающей среды, в частности гидросферы и атмосферы, увеличивается с каждым годом. Учитывая, что объемы энергопотребления постоянно растут, то соответственно и увеличивается негативное воздействие энергетики на природу.

В нашей стране в период становления энергетики прежде всего руководствовались целесообразностью экономических затрат, а сегодня все чаще при проектировании и эксплуатации объектов энергетики первоочередными являются вопросы их безопасности и влияния на экологию. ТЭС работают преимущественно на относительно дешевом органическом топливе - мазуте и угле, являющимися невосполнимыми природными ресурсами. Основными невосполнимыми энергетическими ресурсами страны, как и в целом мире, являются уголь, нефть и газ. На ТЭС при сжигании топлива образуются продукты сгорания, содержащие летучую золу, оксид азота, серный и сернистый ангидрид, частички несгоревшего пылевидного топлива, газообразные продукты неполного сгорания. При сжигании мазута образуются кокс, соли натрия, соединения ванадия, сажа. В золе некоторых других видов топлива содержится мышьяк, свободный диоксид кремния, свободный диоксид кальция. При переходе с твердого топлива на газовое значительно возрастает себестоимость вырабатываемой электроэнергии, но есть и положительные стороны, например: при использовании газа не образуются золы, но такой вариант не решает основную проблему - загрязнение атмосферы.

При сжигании газа, как и мазута, в атмосферу выбрасывается окись серы, а количество выбросов оксидов азота при сжигании газа не меньше, чем при сжигании мазута. Для ТЭС не хватает качественного топлива, поэтому большинство теплостанций вынуждено использовать топливо низкого качества, при сгорании которого в атмосферу вместе с дымом выбрасывается большое количество вредных загрязняющих веществ. Кроме этого, вредные вещества с золой попадают в почву. Продукты сгорания, при попадании в атмосферу, вызывают выпадение кислотных дождей, усиливая парниковый эффект, что очень неблагоприятно сказывается на экологической обстановке в целом.

На ТЭС при сжигании угля образуется большое количество золошлаковых отходов (ЗШО), которые негативно влияют на все компоненты окружающей среды. К самым главным экологическим проблемам, возникающим при образовании и размещении ЗШО на территории золошлакоотвалов, выделяют следующие:

- накопление токсичных элементов в продуктах сжигания угля;

- выброс токсичных загрязняющих микроэлементов в атмосферный воздух, загрязнение окружающей природной среды прилегающего района;

- расположение золошлакоотвалов вблизи крупных городов (а часто и в черте города);

- загрязнение тяжелыми металлами, токсичными элементами подземных и поверхностных источников, почвы, земли при размещении и хранении золошлаковых материалов на золошлакоотвале;

- использование в большинстве электростанций технологического оборудования, которое не отвечает требованиям экологической безопасности;

- отчуждение больших территорий под строительство золошлакоотвалов для размещения ЗШО;

- низкий процент утилизации золошлаковых отходов в качестве товарной продукции.

К отрицательным последствиям влияния ЗШО также относятся:

- отчуждение территорий для размещения ЗШО;

- изменение рельефа, деформация поверхности;

- загрязнение тяжелыми металлами, токсичными элементами;

- пыление золошлакоотвалов при транспортировке, складировании, ветровой эрозии;

- загрязнение дымовыми газами;

- снижение плодородия почв, урожайности сельскохозяйственных культур;

- изменение биоразнообразия;

- сокращение численности видов лесов, животных, биоты, растительности, ихтиофауны;

- выброс токсичных микроэлементов в атмосферный воздух, загрязнение окружающей природной среды прилегающего района;

- загрязнение тяжелыми металлами, токсичными элементами подземных и поверхностных водных источников, почвы, земли при складировании, хранении ЗШО на золошлакоотвале;

- использование многими ТЭС технологического оборудования, которое не отвечает требованиям экологической безопасности;

- малый процент утилизации ЗШО в качестве товарного вторичного сырья.

В таблице 1.1 представлен химический состав золы, выбрасываемой котельней ТЭС.

Таблица 1.1 - Химический состав золы [16]

Химическое соединение	Содержание, %
SiO2	47,0
Al2O3	13,0
Fe2O3	8,0
CaO	26,6
MgO	5,0
K2O	0,5
Na2O	0,5

Из таблицы видно, что зола, образующаяся в процессе работы котельной ТЭС, в своем составе содержит следующие химические соединения: в преобладающем количестве содержится оксид кремния (SiO₂) - 47,0% и оксид кальция (CaO) - 26,6%. Несколько меньше окиси алюминия (Al₂O₃) - 13,0% и окиси железа (Fe₂O₃) - 8%. Еще меньше содержится окисей магния (5%), калия и натрия (по 0,5%). Микроэлементный состав в золе приведен в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Содержание микроэлементов в золе [16]

Элемент	Содержание в золе, мг/кг	Элемент	Содержание в золе, мг/кг
F	510	Pb	100
As	3	Mn	1000
Cd	0,5	Be	3
Cr	25	Ti	1500
V	35	Li	3
Co	12	Ba	1000
Ni	6,4	Sr	2500
Zn	30	Mo	20
Cu	90	Zr	30

Из данных таблицы видно, что к ненормируемым компонентам в золе относятся высокие концентрации стронция (Sr) - 2500 мг/кг; титана (Ti ) - 1500 мг/кг; бария (Ba) - 1000 мг/кг; марганца (Mn ) - 1000 мг/кг (при потенциально опасной концентрации 450 г/кг); фтора (F) - 510 мг/кг [16].



ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЙ ТЭС НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

2.1 Оценка ТЭС как источника загрязнения атмосферы

Расчет концентраций вредных загрязняющих веществ, выбрасываемых ТЭС можно проводить при использовании методики ОНД-86 «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ содержащихся в выбросах предприятий» [25]. Методика ОНД-86 используется для расчета концентраций вредных веществ, выбрасываемых в атмосферный воздух при проектировании предприятий, а также для нормирования выбросов в атмосферу действующих предприятий и при проектировании воздухозаборных сооружений и объектов.

Степень опасности загрязнения выбросами атмосферного воздуха при проведении расчетов характеризуется наибольшим полученным значением концентрации, которое соответствует неблагоприятным метеорологическим условиям, включая опасную скорость ветра. Нормы расчета концентраций не распространяются на источники выброса, расположенные на расстояниях более чем 100 км.

При одновременном присутствии в атмосферном воздухе нескольких веществ (n), которые обладают суммацией вредного действия (в соответствии с перечнем, утвержденным Минздравом СССР), для каждой из групп указанных вредных загрязняющих веществ рассчитывают безразмерную суммарную концентрацию q [25].

Безразмерную концентрацию q определяют по формуле (2.1):

(2.1)



где c₁, с₂, ..., с_n- расчетные концентрации в атмосферном воздухе вредных загрязняющих веществ в одной точке местности, мг/м³;

ПДК₁, ПДК₂, ..... ПДК_n - соответствующие максимальные предельно допустимые концентрации вредных загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, мг/м³.

Приведенную концентрацию с рассчитывают по формуле (2.2):

(2.2)

где с₁ - концентрация вещества, к которому осуществляется приведение;

ПДК₁ - ПДК вещества с₁;

с₂ ... c_n и ПДК₂ ..... ПДК_n - концентрации и ПДК веществ, которые входят в группу суммации [25].

Описание модели расчета. Согласно ОНД-86 [25] рассчитывают загрязнение атмосферного воздуха выбросами одиночного источника.

Максимальные значения приземной концентрации вредного загрязняющего вещества См (мг/м³) при выбросе газовоздушной смеси веществ из одиночного точечного источника с круглым устьем достигаются на расстоянии X_м (м) от источника (при неблагоприятных метеорологических условиях) и определяются по формуле (2.3):

(2.3)

где А - коэффициент, который зависит от температурной стратификации атмосферы;

М - масса вредного загрязняющего вещества, выброшенного в атмосферу в единицу времени, г/с;

F - коэффициент, который учитывает скорость оседания вредных загрязняющих веществ в атмосферном воздухе;

m и n - коэффициенты, которые учитывают условия выхода газовоздушной смеси из круглого устья источника выброса;

H - высота источника выброса над уровнем земли, м (при расчетах для наземных источников принимается Н = 2 м);

h - коэффициент, который учитывает влияние рельефа местности при условии ровной или слабопересеченной местности и с перепадом высот, не превышающий 50 м/км, h = 1;

ДТ - разность между температурами выбрасываемой газовоздушной смеси Тг и окружающего атмосферного воздуха Тв, °С;

V₁ - расход газовоздушной смеси, м³/с.

Расход газовоздушной смеси определяют по формуле (2.4):

(2.4)

где D - диаметр круглого устья источника выброса, м;

щ₀ - средняя скорость выхода газовоздушной смеси из круглого устья источника выброса, м/с.

Значение коэффициента А, которое соответствует неблагоприятным метеорологическим условиям, с максимальной концентрацией вредных загрязняющих веществ в атмосферном воздухе.

Этот коэффициент принимают в соответствии с месторасположением источника выбросов согласно ОНД-86 [25] от 250 (для районов Средней Азии, Бурятской Республики, Читинской области и др.) до 140 (для Московской, Рязанской, Владимирской, Тульской, Ивановской, Калужской областей).

Для прочих территорий значение коэффициента А следует принимать в соответствии со сходными климатическими условиями турбулентного обмена [25].

Значения расхода газовоздушной смеси V₁ (м³/с) и мощности выброса М (г/с) определяют при расчете технологической части проекта или принимают согласно действующих для данного производства (процесса) нормативов. В расчете принимают сочетания V₁ и М, при которых в течение года при установленных условиях эксплуатации предприятия достигалось максимальное значение Cм. При этом:

1) используют средние значения М относить за 20-30-минутный период, включая случаи, когда продолжительность выброса составляем менее 20 мин;

2) расчеты концентраций проводят по тем выбрасываемым веществам, показатели которых удовлетворяют требованиям.

Определение значения ДТ (°С) проводят, учитывая температуру атмосферного воздуха Тв (°С), равную средней максимальной температуре наружного воздуха самого жаркого месяца года согласно СНиП 23.01-99 [34], а температуру газовоздушной смеси Тг (°С), выбрасываемой в атмосферу, - согласно действующим технологическим нормативам для определенного производства.

Так, для котельных, которые работают по отопительному графику, при расчетах принимают значения Тв, равные средним температурам наружного воздуха в самые холодные месяцы (согласно СНиП 23.01-99 [34]).

При отсутствии данных по Тв в этом источнике, делается запрос в территориальное управление Госкомгидромета (УГКС) по месту расположения объекта исследования.

Значение коэффициента F принимают следующее:

- для газообразных вредных загрязняющих веществ и мелкодисперсных аэрозолей (зола, пыль и т.п., имеющие скорость упорядоченного оседания равную нулю) - 1;

- для мелкодисперсных аэрозолей со средним эксплуатационным коэффициентом очистки выбросов не меньше 90 % - 2; при коэффициенте 75ч90% - 2,5; меньше 75 % (или при отсутствии очистки) - 3.

Не зависимо от эффективности очистки выбросов, при проведении расчетов концентрации пыли в атмосфере значение коэффициента F принимают равным 3 для производств, которые производят выбросы, содержащие достаточное количество водяного пара для того, чтобы в течение всего года происходила его постоянная интенсивная конденсация непосредственно после выхода в атмосферу.

Значения коэффициентов m и n определяют в зависимости от параметров f, , и f_e. По формулам (2.5) - (2.8):

(2.5)

(2.6)

(2.7)

(2.8)

Коэффициент n определяют в зависимости от f по рисунку 2.1 или по формулам (2.9), 2.10):

(2.9)

(2.10)



Рисунок 2.1 - Зависимость m = f (fe)

Для f_c< f < 100 значение коэффициента т вычисляют при f = f_e.

Коэффициент n при f < 100 определяют в зависимости от х_м по рисунку 2.2 или формулам (2.11) - (2.13):

Рисунок 2.2 - Зависимость n = f (v_м)

при ; (2.11)

(2.12)

при . (2.13)

Расстояние X_м (м) от источника выбросов, на котором приземная концентрация с (мг/м³) в случае неблагоприятных метеорологических условий достигает максимальных значений с_м, определяют по формуле (2.14):

(2.14)

где коэффициент d при f < 100 находят по формулам (2.15) - (2.17):

(2.15)

(2.16)

(2.17)

При f > 100 или ?_Т ? 0 значение d находят по формулам (2.18) - (2.20):

(2.18)

(2.19)

(2.20)

Значение опасной скорости и_м (м/с) на уровне флюгера (как правило, 10 м над уровнем земли), при которой достигается самое большое значение с_м приземной концентрации вредных веществ, в случае f < 100, определяют по формулам (2.21) - (2.23):

(2.21)

(2.22)

при (2.23)



При f >100 или ?_Т ? 0 значение u_м вычисляют по формулам (2.24) - (2.26):

(2.24)

(2.25)

при (2.26)

Максимальные значения приземной концентрации вредного вещества с_ми (мг/м³) при неблагоприятных метеорологических условиях и при скорости ветра u (м/с), которая отличается от опасной скорости ветра u_м (м/с), определяют по формуле (2.27):

(2.27)

где r - безразмерная величина, которую определяеют в зависимости от отношения u/u_м по формулам (2.28) - (2.29):

(2.28)

(2,29)

При расчетах не используют значения скорости ветра u < 0,5 м/с и скорости ветра u > u*, где u* - используется значение скорости ветра, которое в данной местности превышает средний многолетний режим в 5% случаев.

В таком случае значение u* запрашивают в УГКС Госкомгидромета, относящегося к месторасположению предприятие, или используют климатический справочник.

Расстояние от источника выброса хми (м), на котором приземная концентрация вредных веществ соответствует максимальным значениям при скорости ветра u и неблагоприятных метеорологических условиях сми (мг/м³), определяют по формуле (2.30):

, (2.30)

где р - коэффициент, который определяют в зависимости от отношения u/u_м по формулам (2.31) - (2.33):

(2.31)

(2.32)

(2.33)

Приземная концентрация вредных веществ с (мг/м³) в атмосфере по оси факела выброса и на различных расстояниях х (м) от источника выброса, при опасной скорости ветра u_м, определяют по формуле (2.34):

, (2.34)

где s₁ - коэффициент, который определяют в зависимости от отношения x/x_м и коэффициента F по формулам (2.35) - (2.38):

(2.35)

(2.36)

(2.37)

(2.38)

Для наземных и низких источников (с высотой Н не больше 10 м) при значениях х/х_м < 1 величину s₁ в формуле (2.34) заменяют на величину , и определяют в зависимости от х/х_м и Н по формуле (2.39):

(2.39)

Аналогично определяют значение концентрации вредных загрязняющих веществ на различном расстоянии по оси факела для других значений скорости ветра u и неблагоприятных метеорологических условий. По формулам (2.23) и (2.30) определяют значения c_ми, и x_ми. В зависимости от соотношения х/х_ми определяют значение s₁ по формулам (2.35) - (2.39). Искомое значение концентрации вредного вещества определяют путем умножения значений c_ми на s₁.

...