11.7. Охрана окружающей среды от воздействиЯ тэс
Тепловые электростанции оказывают существенное влияние на состояние окружающей среды. К обеспечению их работы привлекаются значительные природные ресурсы, такие, как топливо, вода, воздух, строительные материалы и др. При работе ТЭС загрязняют окружающую среду вредными выбросами. На рис. 13.11 показаны основные источники вредных веществ на ТЭС, оказывающих вредное влияние на окружающую среду в районе электростанции.
Потребляя огромное количество и топлива и воздуха, котельная установка выбрасывает в атмосферу через дымовую трубу 1 продукты сгорания, содержащие оксиды углерода СОх, сернистый ангидрид SO2, оксиды азота NОх, золу. Складирование золы, уловленной в золоуловителе 3, в специальных местах (золоотвалах) исключает их из сельскохозяйственного оборота. Причем последующая рекультивация поверхности золоотвала не приводит к полному восстановлению свойств почв.
Объемы загрязнений тепловыми электростанциями окружающей среды и вид загрязнений зависит от типа и мощности станций.
На рис. 11.23 приведены показатели загрязнений окружающей среды станциями различного типа мощностью по 1 ГВт каждая. Выбросы в атмосферу газов и золы даны на рисунке в тоннах в сутки, а активность радиоактивных элементов в секундах в минус первой степени. Станции, работающие на угле, потребляют его в больших количествах и больше всего выбрасывают в атмосферу загрязняющих веществ. Выбросы в атмосферу зависят также от состава топлива.
Рис. 11.22. Источники загрязнений на ТЭС:
1 – дымовая труба; 2 – дымосос;
3 - золоуловитель, 4 – паровой котел;
5 – предохранительный клапан, 6 – вентилятор; 7 – питательный насос; 8 – паровая турбина;
9–генератор; 10–конденсатор,
11–циркуляционный насос; 12 – повышающий трансформатор; 13 – градирня
Приведенные на рисунке характеристики соответствуют углю со средней теплотой сгорания. В среднем на 1 кВт установленной мощности приходится 500 кг золошлаков, 75 кг оксидов серы, 10 кг оксидов азота.
Рис. 11.23. Загрязнение атмосферы электростанциями различного типа
В атмосферу поступает вся теплота, внесенная топливом либо на самой ТЭС, либо у потребителей энергии. Главная часть (около 50 %) теплоты топлива удаляется через охлаждающие устройства циркуляционной водой; 5...7% теплоты удаляется с дымовыми газами из дымовой трубы. Остальное количество теплоты выделяется у потребителей электрической энергии и теплоты.
Из градирен и брызгальных бассейнов электростанций в атмосферу уносятся большие массы теплоты и влаги. Это вызывает снижение солнечной освещенности, образование низкой облачности и туманов, моросящих дождей, инея и гололеда в холодное время, обледенения дорог и конструкций. В теплое время года в результате испарения капелек влаги, достигших земли, возможно засоление почв.
Отходы технологических циклов энергетических установок, такие, как обмывочные воды, остатки нефтепродуктов и др., загрязняют стоки вод с территории электростанции, которые, попадая в водоемы, могут оказать гибельное воздействие на водные организмы и способность его к самоочищению.
В районе расположения электростанции в воздушный бассейн попадают шумы в основном от источников, расположенных на открытом воздухе. Сюда относятся периодические сбросы пара через предохранительные клапаны (см. рис. 11.22), постоянный ум от повышающих трансформаторов 12, градирен 13. Особенно вреден шум от дымососов 2, который может распространяться на большой район от устья трубы 1.
На территории, где расположена электростанция, изменяется рельеф местности и распределение воздушных течений, нарушается поверхностный слой, растительный покров, режим грунтовых вод. Эти изменения, а также перечисленные выше и освещенность в ночное время приводят к нарушению экологического равновесия.
Методы охраны окружающей среды от воздействия ТЭС можно разделить на активные и пассивные. Первые связаны с применением природосберегающих технологий при получении энергии. К их числу относятся: технологии, которые увеличивают коэффициент использования топлива (ТЭЦ вместо КЭС) и соответственно уменьшают количество загрязнений; различные способы переработки топлива, позволяющие более полно произвести выделение потенциальных загрязнителей; замкнутые технологические циклы, например, с полным использованием золы или получением серной кислоты из азота из дымовых газов и др.
К пассивным способам защиты окружающей среды от вредного воздействия ТЭС относят применение различного вида устройств, улавливающих загрязнение на конечных стадиях технологического цикла (очистные сооружения, золоуловители и т.п.) или способствующих их уменьшению до концентраций и доз, меньших предельно, но допустимых (высокие дымовые трубы, шумоглушители и др.).
Очистка дымовых газов от сернистых соединений. Если в воздухе содержится 0,2...0,3 мг/м2 SО2, то нарушается фотосинтез и дыхание растений. При содержании в воздухе 20 мг/м3 SО2 наблюдается раздражение органов дыхания человека. Предотвращение выбросов вредных окислов серы с дымовыми газами обеспечивается предварительной очисткой топлива от серы до его сжигания н последующей очисткой продуктов сгорания топлива в процессе его горения или после охлаждения дымовых газов (за котлом).
Принципиально и технически разработаны различные способы очистки топлива от серы: растворение в жидких углеводородных соединениях горючей составляющей твердого топлива с последующей отгонкой растворителя; газификация угля с отделением серы от газовой фракции; обогащение углей с выделением серного колчедана и др. Однако они не получили на электростанциях заметного применения, так как это приблизительно вдвое удорожает выработку электроэнергии.
Очистку дымовых газов от оксидов серы можно осуществить в специальных устройствах – скрубберах, где обеспечивается контакт газов с пленкой жидкости, содержащей щелочные добавки, что приводит к нейтрализации и улавливанию серы. Трудности реализации такого способа заключаются в сложности поддержания режима из-за забивания системы сульфатно-кальциевыми отложениями, в предотвращении коррозии и эрозии оборудования, а также в необходимости иметь большие площади для складирования образующегося при этом шлака.
Перспективным методом борьбы с сернистыми выбросами можно считать сжигание топлива в кипящем слое с введением в него щелочных веществ (известняка, доломита и др.). Также уменьшает выброс оксидов серы использование различных присадок для защиты от сернистой коррозии поверхностей нагрева.
Самым простым, хотя и несовершенным способом снижения вредного влияния выбросов ТЭС на окружающую среду является сооружение высоких дымовых труб, обеспечивающих рассеивание вредных веществ на большие площади и снижение местных концентраций их до допустимых пределов.
Снижение содержания оксидов азота в продуктах сгорания топлива. В процессе сгорания топлива в основном образуется оксид азота NО и его диоксид NО2 которые принято рассматривать, как единый компонент вредных выбросов - NОх. Основным способом снижения выбросов NО является предотвращение их образования в процессе горения топлива. Это обеспечивается созданием оптимальных условий перемешивания топлива с воздухом на начальном участке факела и снижение температуры и избытка воздуха в зоне развитого горения. Первое условие достигается уменьшением доли первичного воздуха в топливовоздушной смеси и затягиванием процесса смешения ее со вторичным воздухом, а второе – рециркуляцией топочных газов и снижением температуры воздуха.
При рециркуляции часть газов забирается из топки и подается, как правило, непосредственно в горелки. За счет этого снижается температура в зоне активного горения.
Уменьшение избытка воздуха в зоне активного горения до значений, близких к стехиометрическим применимо в основном для газа и мазута. Сжигание твердых топлив с малыми избытками воздуха не применяется вследствие значительного увеличения недожога. В этом случае организуется двухступенчатое сжигание, когда основное количество топлива сгорает при пониженных избытках воздуха, а остальной воздух, необходимый для полного сгорания топлива, подается выше активной зоны горения.
Для снижения содержания оксидов азота применяется также впрыск воды или пара в зону горения. Снижение концентрации NОх при этом происходит за счет уменьшения температуры в зоне горения вследствие затрат теплоты на испарение. Однако этот способ вызывает снижение КПД котла и увеличение интенсивности коррозии поверхностей нагрева.
Очистка дымовых газов от механических примесей (золы). Для занижения выбросов в атмосферу золовых остатков дымовые газы очищаются в различных золоуловителях; Используются инерционные, динамические (мокрые) золоуловители и электрофильтры (рис. 11.24).
В инерционных золоуловителях (циклонах) взвешенные частицы золы под действием центробежных сил отжимаются к стенкам цилиндрической камеры и затем за счет силы тяжести ссыпаются в коническую воронку и далее – в общий бункер. Очищенные дымовые газы поднимаются через внутренний цилиндр вверх и затем поступают в дымосос. Центробежные силы возникают при вращательном движении потока дымовых газов, которые тангенциально подводятся к кольцевому каналу, образованному наружной и внутренней цилиндрическими поверхностями золоуловителя. В целях повышения эффективности инерционные золоуловители объединяют в группы (батареи). Степень золоулавливания батарейных циклопов достигает 0,82...0,90.
Мокрые золоуловители отличаются от инерционных тем, что на частицу золы действует, увлекая ее за собой, пленка воды движущегося по внутренней стенке цилиндра. Степень улавливания золы в таких золоуловителях составляет 82 ... 90%.
Рис. 11.24. Золоулонители:
инерционный (а); мокрый (б) и электрофильтр (в); 1 – выход очищенного газа;
2 - выходной патрубок; 3 - входной патрубок;
4 - выход золы; 5 - оросительное устройство;
6, 7 - осадительный и коронирующий электроды
Наибольшее распространение на ТЭС получили электрофильтры, обеспечивающие степенью чистки газов 99 ... 99,5%. В электрофильтрах дымовые газы двигаются в канале, образованном осадительными электродами, между которыми расположены коронирующие электроды. К электродам подводится постоянное напряжение: плюс – к осадительным, минус – к коронирующим. Частицы золы получают отрицательный заряд притягиваются к осадительным электродам. Периодическим встряхиванием налипшая на них зола под действием силы тяжести ссыпается в бункер и далее удаляется.
В заключение следует отметить, что в настоящее время нет достаточно обоснованной методологии оценки ущерба народному хозяйству в целом от загрязнения атмосферы, водных бассейном, лесов, почв технологическими отходами энергетического производства, а значит, и методов оценки природоохранительных мероприятий.