2. Робота тес, її вплив на навколишнє середовище

Основу енергетики України сьогодні складають теплові електростанції (ТЕС) на органічному паливі, що забезпечують 75–80 % усього виробництва електроенергії (мал. 1.2.1). Розвиток теплової енергетики прогнозується з переважним використанням вугілля, частка якого в у 2030 році в паливному балансі становитиме 85,1 %. У процесі спалювання вугілля для виробництва тепло- і електроенергії на ТЕС утворюється значна кількість золи та шлаків[5].

Теплові електростанції поділяють на два основних типи: конденсаційні (КЕС), призначені тільки для виробництва електроенергії, і теплофікаційні, або теплоелектроцентралі (ТЕЦ). Конденсаційні електричні станції, що працюють на органічному паливі, будують поблизу місць його видобутку, а теплоелектроцентралі розміщують поблизу споживачів тепла - промислових підприємств і житлових масивів. ТЕЦ також працюють на органічному паливі, але на відміну від КЕС виробляють як електричну, так і теплову енергію у вигляді гарячої води і пара для виробничих і теплофікаційних цілей. До основних видів палива цих електростанцій відносяться: тверде - кам'яне вугілля, антрацит, полуантрацит, буре вугілля, торф, сланці; рідке - мазут і газоподібне - природний, коксовий, доменний і газ.

Базовими називають електростанції, які несуть максимально можливе постійне навантаження впродовж більшої частини року. У світовій енергетиці як базові використовують АЕС, високоекономічні КЕС, а також ТЕЦ при роботі по тепловому графіку. По технологічній структурі теплові електростанції поділяються на блочні й неблочні. При блочній схемі основне і допоміжне обладнання паротурбінної установки не мають технологічних зв’язків з обладнанням іншої установки електростанції. Для електростанцій на органічному паливі при цьому до кожної турбіни пара підводиться від одного або двох з’єднаних з нею котлів. При неблочній схемі ТЕС пара від всіх котлів надходить в загальну магістраль і звідти розподіляється по окремих турбінах. (На мал. 1.2.2. зображено Криворізьку ТЕС). Електроенергію на електростанціях виробляють за рахунок використання енергії, схованої в різних природних ресурсах (вугілля, мазут, уран та ін.), за достатньо простим принципом, реалізуючи технологію перетворення енергії.

Мал.1.2.2.Криворізька ТЕС

Паливо (в даному випадку вугілля) згорає в котлі, нагріває воду і перетворює її в пару. Пара подається в турбіни, які перетворюють теплову енергію пари в механічну енергію і приводять в дію генератори, виробляючи електроенергію.

Сучасна теплова електростанція – це складне підприємство, яке включає велику кількість різноманітного обладнання. Склад обладнання електростанції залежить від вибраної теплової схеми, виду використовуваного палива і типу системи водопостачання.

При згорянні газу виділяється найменша кількість шкідливих забруднювачів, тому газоподібне паливо вважається найбільш екологічно чистим. Згоряння рідкого і твердого видів палива супроводжується утворенням шкідливих газів (діоксиду сірки та оксидів азоту), можливе утворення пилових аерозолів, виходить зола. ТЕС є другим після автотранспорту забруднювачем атмосфери. Зола, що виходить після спалювання рідкого і особливо твердого палива, є великотоннажні відходом енергетики і вимагає обов'язкової утилізації [6]. Робота ТЕС: Основне обладнання електростанції включає: котельні та турбінні агрегати з електричним генератором і конденсатором. (Мал.1.2.3.). Ці агрегати стандартизовані по потужності, параметрам пара, продуктивності, напрузі і силі струму і т.д. Тип і кількість основного обладнання теплової електростанції відповідають заданій потужності і передбаченому режиму її роботи. Існує і допоміжне обладнання, що служить для відпуску теплоти споживачам і використання пара турбіни для підігріву живильної води котлів і забезпечення власних потреб електростанції.

На всіх паротурбінних установках застосовується регенеративний підігрів живильної води, що істотно підвищує теплову та загальну економічність електростанції, оскільки в схемах з регенеративним підігрівом потоки пара, що відводяться з турбіни в регенеративні підігрівачі, здійснюють роботу без втрат в холодному джерелі (конденсаторі). При цьому для однієї і тієї ж електричної потужності турбогенератора витрата пара в конденсаторі знижується і в результаті к.к.д. установки зростає. Для палив з легкоплавку золою використовуються котли з рідким шлаковидаленням. При цьому досягається висока (до 90%) вловлювання золи в топці і знижується абразивний знос поверхонь нагріву. З цих же міркувань для високозольних палив, таких як сланці і відходи вуглезбагачення, застосовуються парові котли з чотирьох ходовий компонуванням. На теплових електростанціях використовуються, як правило, котли барабанної або прямоточною конструкції.

Мал.1.2.3. Загальна схема роботи теплоелектростанції на вугіллі

Турбіни і електрогенератори узгоджуються за шкалою потужності. Кожній турбіні відповідає певний тип генератора. Для блокових теплових конденсаційних електростанцій потужність турбін відповідає потужності блоків, а число блоків визначається заданою потужністю електростанції. У сучасних блоках використовуються конденсаційні турбіни потужністю 150, 200, 300, 500, 800 і 1200 МВт з проміжним перегрівом пари[7].

Особливістю роботи електричних станцій в мережі є те, що загальна кількість електричної енергії, що виробляється ними в кожен момент часу, повинно повністю відповідати споживаної енергії. Основна частина електричних станцій працює паралельно в об'єднаній енергетичній системі, покриваючи загальну електричну навантаження системи, а ТЕЦ одночасно і теплове навантаження свого району. Є електростанції місцевого значення, призначені для обслуговування району і не під'єднані до загальної енергосистеми.

За оцінками експертів, ТЕС усього світу викидають в атмосферу щорічно близько 200-250 млн. тонн золи, більше 60 млн. тонн сірчистого ангідриду, велика кількість оксидів азоту і вуглекислого газу (що викликає так званий парниковий ефект і призводить до довгострокових глобальних кліматичних змін), поглинаючи велику кількість кисню. Крім того, до теперішнього часу встановлено, що надмірна радіаційний фон навколо теплових електростанцій, що працюють на вугіллі, в середньому в світі в 100 разів вище, ніж у районі АЕС такої ж потужності (вугілля в якості мікродомішок майже завжди містить уран, торій і радіоактивний ізотоп вуглецю ). Проте, добре відпрацьовані технології будівництва, обладнання та експлуатації ТЕС, а також менша вартість їх споруди призводять до того, що на ТЕС припадає основна частина світового виробництва електроенергії [8].

Найбільш важливими і повними показниками роботи ТЕС є собівартість електроенергії і теплоти (мал.1.2.4. збільшення попиту на ТЕС).

Мал.1.2.4. Збільшення попиту на постачання енергетичних ресурсів на ТЕС(%).

Теплові електростанції мають як переваги, так і недоліки в порівнянні з іншими типами електростанцій.

Можна вказати наступні переваги ТЕС:

• відносно вільне територіальне розміщення, пов'язане з широким розповсюдженням паливних ресурсів;

• здатність (на відміну від ГЕС) виробляти енергію без сезонних коливань потужності;

• площі відчуження і виведення з господарського обороту землі під спорудження та експлуатацію ТЕС, як правило, значно менше, ніж це необхідно для АЕС і ГЕС;

• ТЕС споруджуються набагато швидше, ніж ГЕС або АЕС, а їх питома вартість на одиницю встановленої потужності нижче в порівнянні з АЕС.

У той же час ТЕС мають великі недоліки:

• для експлуатації ТЕС зазвичай потрібно набагато більше персоналу, ніж для ГЕС, що пов'язано з обслуговуванням вельми масштабного за обсягом паливного циклу;

• робота ТЕС залежить від поставок паливних ресурсів (вугілля, мазут, газ, торф, горючі сланці);

• змінність режимів роботи ТЕС знижують ефективність, підвищують витрата палива і призводять до підвищеного зносу устаткування;

• існуючі ТЕС характеризуються відносно низьким ККД (В основному до 40%);

• ТЕС мають пряме і несприятливий вплив на навколишнє середовище і не є еколігічно «чистими» джерелами електроенергії.

Найбільших збитків екології оточуючих регіонів приносять електростанції, що працюють на вугіллі, особливо високозольні. Серед ТЕС найбільш «чистими» є станції, які використовують в своєму технологічному процесі природний газ[9].

Катастрофічні екологічні наслідки впливу значних скупчень відходів можна спостерігати у більшості регіонів України. Теплові електростанції несуть дані наслідки своєї роботи:

• теплове, шумове, радіаційне забруднення;

• утворення золовідвалів;

• забруднення грунту важкими метали;

• просідання грунту від багатоетажних твердих викидів;

• зміна хімічного складу грунтів;

• забруднення поверхневих вод і атмосфери.

Газоподібні викиди головним чином включають сполуки вуглецю, сірки, азоту, а також аерозолі і канцерогенні речовини.  Оксиди вуглецю (CO і CO₂) практично не взаємодіють з іншими речовинами в атмосфері і час їх існування практично не обмежена. Властивості CO і CO₂, як і інших газів, по відношенню до сонячного випромінювання характеризуються вибірковістю в невеликих ділянках спектра. Так, для CO₂ при нормальних умовах характерні три смуги селективного поглинання випромінювання в діапазонах довжин хвиль: 2,4 - 3,0; 4,0 - 4,8; 12.5 - 16.5 мкм. З зростанням температури ширина смуг збільшується, а поглощательная здатність зменшується, тому що зменшується щільність газу.

Одним з найбільш токсичних газоподібних викидів енергоустановок є сірчистий ангідрид - SO₂. Він становить приблизно 99% викидів сірчистих сполук (решта припадає на SO₃). його питома маса - 2,93 кг / м3, температура кипіння - 195°C. Тривалість перебування SO₂ в атмосфері порівняно невелика. Він бере участь в каталітичних, фотохімічних та інших реакціях, в результаті яких окислюється і випадає в сульфати. У присутності значних кількостей аміаку NH₃ і деяких інших речовин час життя SO₂ обчислюється декількома годинами. В порівняно чистому повітрі воно досягає 15 – 20 діб. У присутності кисню SO₂ окислюється до SO₃ і вступає в реакцію з водою, утворюючи сірчану кислоту. Згідно з деякими дослідженнями, кінцеві продукти реакцій за участю SO₂ розподіляються наступним чином: у вигляді опадів випадає на поверхню літосфери 43% і на поверхню гідросфери 13%. Накопичення сірковмісних сполук відбувається в основному в світовому океані. Вплив цих продуктів на людей, тварин і рослини, а також на різні речовини різноманітно і залежить від концентрації і від різних факторів навколишнього середовища [10].

У процесах горіння азот утворює з киснем ряд з'єднань: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₄ і N₂O₅, властивості яких істотно розрізняються. Закис азоту N₂O утворюється при відновленні вищих оксидів і не реагує з атмосферним повітрям. Окис азоту NO – безбарвний слаборозчинний газ.

Реакція утворення окису азоту має термічну природу:

                      O₂ + N₂ = NO₂ + N - 196 кДж / моль, (1.2.1.)

                   N + O₂ = NO + O + 16 кДж / моль, (1.2.2.)

                        N₂ + O₂ = 2NO - 90 кДж / моль. (1.2.3.)

У присутності повітря NO окислюється до NO₂. Двоокис азоту NO₂ складається з молекул двох видів - NO₂ і N₂O₄:

                      2NO₂ = N₂O₄ + 57 кДж / моль. (1.2.4.)

У присутності вологи NO2 легко вступає в реакцію, утворюючи азотну кислоту:

                          3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO. (1.2.5.)

Азотистий ангідрид N2O3 розкладається при атмосферному тиску:

                               N₂O₃ = NO + NO₂ (1.2.6.)

і утворюється в присутності кисню:

                       4NO + O₂ = 2N₂O₃ + 88 кДж / моль (1.2.7.)

Азотний ангідрид N₂O₃ - сильний окислювач. Взаємодіючи з водою, утворює сірчану кислоту. З огляду на швидкоплинність реакцій утворення окислів азоту і їх взаємодій один з одним і компонентами атмосфери, а також через випромінювання врахувати точну кількість кожного з оксидів неможливо. Тому сумарна кількість NOx призводять до NO₂. Але для оцінок токсичного впливу необхідно враховувати, що сполуки азоту, що викидаються в атмосферу, мають різну активність і тривалість існування:

NO₂ - близько 100 годин, N₂O - 4,5 року.

      Аерозолі поділяються на первинні - безпосередньо що викидаються, і вторинні - утворюються при перетвореннях в атмосфері. Час існування аерозолів в атмосфері коливається в широких межах – від хвилин до місяців, в залежності від багатьох факторів. Великі аерозолі в атмосфері на висоті до 1 км існують 2-3 доби, в тропосфері - 5-10 доби, в стратосфері - до декількох місяців. Подібно аерозолям поводяться і канцерогенні речовини, що викидаються або утворюються в атмосфері. Проте точних даних про поведінку цих речовин в повітрі практично немає.

      Одним з факторів взаємодії ТЕС з водним середовищем є споживання води системами технічного водопостачання, в т.ч. безповоротне споживання води. Основна частина витрат води в цих системах йде на охолодження конденсаторів парових турбін. Решта споживачів технічної води (системи золо і шлаковидалення, хімводоочистки, охолодження і промивки обладнання) споживають близько 7% загальної витрати води. У той же час саме вони є основними джерелами примесного забруднення. Наприклад, при промиванні поверхонь нагріву котлоагрегатів серійних блоків ТЕС потужністю 300 МВт утворюється до 10000 м3 розбавлених розчинів соляної кислоти, їдкого натру, аміаку, солей амонію [11].

 Крім того, стічні води ТЕС містять ванадій, нікель, фтор, феноли та нафтопродукти. На великих електростанціях витрата води, забрудненої нафтопродуктами (масла і мазут), доходить до 10-15 м³ / год при середньому вмісті нафтопродуктів 1-30 мг / кг (після очищення). При скиданні їх у водойми вони надають згубний вплив на якість води, водні організми.

Становить небезпеку і так зване теплове забруднення водойм, що викликає різноманітні порушення їх стану. ТЕС виробляють енергію за допомогою турбін, що приводяться в рух нагрітим парою, а відпрацьований пар охолоджується водою. Тому від електростанцій в водойми безперервно надходить потік води з температурою на 8-12 °C перевищує температуру води у водоймі. Великі ТЕС скидають до 90 м / с нагрітої води.  Потрібно сказати, що дії ТЕС на навколишнє середовище значно відрізняються за видами палива. Одним з факторів впливу ТЕС на вугіллі є викиди систем складування, транспортування, пиле приготовлення і золовидалення. При транспортуванні і складуванні можливо не тільки пилове забруднення, але і виділення продуктів окислення палива [12].

3. Золошлакові відходи ТЕС та процеси їх утворення

Щорічно в Україні утворюється близько 1,5 млрд. т промислових відходів, до 1 – 3 класу небезпеки відноситься до 8 млн. т із зазначеного об’єму. Загальний обсяг накопичених промислових відходів перевищує 25 млрд. т.

Утилізація та знешкодження відходів проводить незначна кількість підприємств, які фактично не забезпечені належною технологічною базою. Основну масу відходів видаляють до відвалів, териконів, шламо-, і хвостосховищ, звалищ, полігонів та інших накопичувачів, яких вже нараховують декілька тисяч. Для цих накопичувачів відчужують значні площі земельних угідь, а також на більшій частині їх не забезпечена надійна ізоляція навколишнього середовища від забруднення. Найбільшу кількість складають розкривні, які вміщують шахтні породи видобування, хвости збагачення руд, вугілля, металургійні шлаки, шлами хімічних, гальванічних виробництв, горіла земля тощо. Рівень використання відходів різних класів небезпеки в нашій країні коливається від 10% до 30%, а обсяг знешкодження не перевищує і 2% відсотків [13]. Джерела відходів паливно-енергетичного комплексу умовно можна розділити на відходи видобутку, збагачення і спалювання вугілля.

Відходи видобутку в залежності від розробки називають розкривними чи шахтними і вони складають значні обсяги, а тому і відвали займають великі площі земель, піддаються водній і вітровій корозії, забруднюючи прилеглу територію. Значна втрата приносить природному середовищу загоряння териконів, тому навколо відвалів улаштовують захисні зони, що приводить до збільшення площі відчужених земель. Тверді відходи вуглевидобутку використовують як низькосортне паливо. У світовій практиці відходи вуглевидобутку використовують для закладки вироблених шахтних просторів. Відходи вуглезбагачення утворюються при збагаченні вугілля для коксування, енергетичних і інших цілей і являють собою суміш осадових порід, часток вугілля й вугільно-мінеральних зростків. Відходи вуглезбагачення використовують як енергетичну сировину шляхом спалювання чи газифікації, направляють на перезбагачення, одержують сірку, будівельні матеріали, при влаштуванні насипів, закладці підземних виробок, рекультивації земель . При спалюванні твердого палива в топках при температури близько 1200-1700°С теплових електростанцій утворюються великотоннажні тверді мінеральні відходи, представлені шлаком і золою(мал.1.3.1.).

Мал.1.3.1.Схема утворення золи ТЕС

Золошлакові відходи це відходи, що утворюються при спалюванні всіх видів вугілля і видаляються водою в шламонакопичувач. Застосовувати їх досить таки складно, але можна і навіть потрібно [14].

Дрібні і легкі частинки з питомою поверхнею 1500-3000 см2/г, що містяться в кількості близько 90% , виносяться з топки газами, а більші осідають на дні топки і сплавляються в кускові шлаки.

На сучасних ТЕС вугілля спалюють у пилоподібному стані. Шлак утворюється в результаті злипання розм'якшених частинок золи в об‘ємі топки і накопичується в шлаковому бункері під топкою. Максимальний розмір зерен шлаку в складі золо шлакової суміші становить не більше20 мм. Зола виноситься з топки з димовими газами (зола виносу) і вловлюється при їх очищенні в циклонах і електрофільтрах. Більшість фрагментів золи мають сферичну форму, гладку склоподібну фактуру поверхні. Розмір сферичних частинок коливається від декількох мікрон до

50-60 мкм. (мал1.3.2.)

Мал.1.3.2. Сферичні частинки золи виносу

Золошлакові відходи теплових електростанцій при їх сухому відборі більш стабільні по зерновому, фазовому та хімічному складу і основним властивостям. До того ж, відбір, навантаження і розвантаження, транспортування і складування сухої золи організувати простіше, ніж вологої.