10768

УДК 620.9:502.3 (0,75)

Лебедева Е.А. Природоохранные комплексы в теплоэнергетике [Электронный ресурс]: учеб. - метод. пос. /Е.А.Лебедева; Нижегор. гос архитектур. - строит. ун – т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 70 с; ил. 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Представлена информация о воздействии теплоэнергетического комплекса на качество атмосферного воздуха и водоемов; приведена характеристика вредных веществ, содержащихся в выбросах и сбросах топливосжигающих установок, рассмотрены комплексные мероприятия по снижению загрязнения воздушного и водного бассейна теплоэнергетическим оборудованием.

Приведены указания по содержанию лекций, практических и семинарских занятий по дисциплине «Природоохранные комплексы в теплоэнергетике», даны рекомендации по выполнению индивидуальных заданий и курсовой работы, подготовке к промежуточной аттестации.

Учебно-методическое пособие ориентировано на обучение в соответствии с календарным учебным графиком и учебным планом по основной образовательной программе направления 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника, профиль Тепломассообменные процессы и установки, одобренной решением научно-технического совета (НТС) от «9» июня 2015г. Протокол № 2.

.

© ЕА.Лебедева, 2016

© ННГАСУ, 2016.

2

3

1. Общие положения

1.1 Цели изучения дисциплины и результаты обучения

Целями освоения учебной дисциплины «Природоохранные комплексы в теплоэнергетике и теплотехнологиях» являются:

-формирование теоретических знаний и практических навыков в области защиты окружающей среды от выбросов и сбросов ТЭЦ и котельных;

-формирование умений выбрать комплекс природоохранных мероприятий на основе экологической оценки энергетического оборудования и выполнить расчет экозащитного оборудования.

В процессе освоения дисциплины студент должен Знать:

-современные методы исследования технологических процессов генерации тепловой и электрической энергии, методики определения антропогенного воздействия энергетики на свойства биосферы, в том числе воздушный и водный бассейны; способы улучшения экологических характеристик энергетического оборудования;

-способы модернизации действующего технологического оборудования с целью повышения экологической безопасности технологического объекта; комплексы природоохранных мероприятий для снижения вредных выбросов и сбросов;

-методики: расчета вредных выбросов и сбросов энергетическим оборудованием; расчета распределения вредных веществ в атмосферном воздухе; разбавления примесей в водоеме, нормативы вредных веществ и характеристики допустимого шума; использования прикладного программного обеспечения (Эколог -ПРО), Экоцентр и др.;

-совершенное экозащитное оборудование, условия безопасной эксплуатации современного экозащитного оборудования;

-методики теплотехнических испытаний энергетического оборудования, включающие экологические показатели технологического процесса.

Уметь:

-проводить анализ отечественных и зарубежных исследований в области экологической безопасности, выполнить экологическую оценку действующего или проектируемого объекта, обработать результаты экспериментальных исследований, проводить численные исследования создаваемого загрязнения окружающей среды;

-охарактеризовать объекты теплоэнергетики как загрязнители окружающей среды, определить степень очистки выбросов энергетического оборудования и разработать эффективный комплекс природоохранных мероприятий;

-систематизировать природоохранные мероприятия применительно к снижению выбросов, сбросов;

-разрабатывать новые комплексные схемы природоохранных мероприятий и применять эффективное экозащитное оборудование;

-применять природоохранные мероприятия при модернизации действующего теплотехнического оборудования с целью повышения экологической эффективности теплотехнологии;

-технологии проведения технико-экономического обоснования экозащитных технологий, способствующих ресурсосбережению.

Владеть; - методиками численных исследований в области загрязнения окружающей среды

объектами энергетики; способами обработки результатов экспериментальных исследова-

4

ний, включая оценку погрешности измерений;

-способностью проводить экологический анализ объектов техносферы с позиции загрязнения окружающей среды и выбирать технические решения для предотвращения загрязнения окружающей среды

-современным набором экозащитного оборудования для снижения вредных выбросов в атмосферный воздух, водоемы; набором мероприятий для снижения уровня шума;

-способностью совершенствовать природоохранные мероприятия, используя комплексные схемы очистки;

-способностью правильно эксплуатировать экозащитное оборудование с целью экологической безопасности технологического процесса;

-навыками выбора экозащитного оборудования, способствующего ресурсосбережению.

Данная дисциплина позволит студентам систематизировать полученные теоретические знания в области разработки природоохранных мероприятий применительно к энергетическим установкам; выявить наиболее экологически опасных технологии топливноэнергетического комплекса; укрепить практические навыки расчета и обоснования природоохранных технологий и оборудования с использованием современных отечественных и зарубежных достижений.

Таблица 1. Очная форма обучения.

1.2 Содержание дисциплины

Материал дисциплины сгруппирован по следующим разделам:

Раздел 1. Атомные станции. Природоохранные комплексы для защиты воздушного и водного бассейнов при использовании ядерного топлива.

Экологическая оценка выбросов и сбросов атомных станций. Физико-химические и гигиенические свойства вредных веществ в выбросах и сбросах атомных станций. Оборудование для очистки вентиляционных выбросов атомных станций. Оборудование для очистки стоков атомных станций от вредных веществ.

Раздел 2. Комплексные природоохранные мероприятия для снижения химического и физического загрязнения воздушного бассейна выбросами ТЭЦ и котельных.

5

Экологическая оценка энергетической установки по фактору загрязнения атмосферного воздуха и расчет необходимой степени очистки выбросов. Технологические методы очистки продуктов сгорания котельных и ТЭЦ от оксидов азота, серы, углерода, сажи, бенз(а)пирена. Комплексные схемы очистки выбросов топливосжигающего оборудования от вредных веществ. Экозащитное оборудование. Методы защиты от акустического, вибрационного, электромагнитного загрязнений.

Раздел 3. Комплексные природоохранные мероприятия для снижения физического и химического загрязнения водного бассейна сбросами ТЭЦ и котельных

Экологическая оценка энергетической установки по фактору загрязнения водного бассейна и расчет необходимой степени очистки сбросов. Технологические методы снижения загрязнения водного бассейна. Методы очистки стоков. Классификация. Способы и технологии очистки конденсата. Очистка стоков мазутного хозяйства от твердых веществ и нефтепродуктов. Технология очистки ливневых и сточных вод энергетических установок.

1.3 Порядок освоения материала

Студенты предварительно знакомятся с программой курса; в качестве раздаточного материала выдается «Перечень лекций и практических занятий», озвучивается основной и дополнительный список рекомендуемой литературы, включающий учебники, учебные пособия по дисциплине.

В течение курса со студентами проводятся лекции, практические занятия, семинары - дискуссии, индивидуальные и групповые консультации по вопросам выполнения индивидуальных расчетных заданий и выполнению курсовой работы.

Весь часовой объем курса делится на академический (аудиторный) и самостоятельный. Основными формами реализации дисциплины являются лекции, практические занятия, включающие семинары-дискуссии, а также формы самостоятельной работы: подготовка к лекциям, семинарам - дискуссиям, практическим занятиям, выполнению курсовой работы, подготовка к промежуточной аттестации (экзамену).

2. Методические рекомендации по подготовке к лекционным занятиям

2.1.Общие рекомендации по проведению лекционных занятий

Лекции позволяют в максимально сжатые сроки представить значительный объем структурированной информации. Лекционные материалы по курсу «Природоохранные комплексы в теплоэнергетике» имеют проблемно-тематическую структуру и выстраиваются по принципам систематичности, последовательности и научности. Это дает возможность сформировать необходимые экологические знания, соответствующие уровню современной науки, обеспечить создание верных представлений о воздействии теплоэнергетических технологий на окружающую среду и способах его нейтрализации.

Лекция - форма учебного занятия, цель которого состоит в рассмотрении теоретических вопросов излагаемой дисциплины в логически выдержанной форме. Важно понять, что лекция не является копией учебника, а скорее – обобщением многочисленной литера-

6

туры, авторской разработкой, которая отражает опыт преподавателя его представления о том, что студент должен знать [8].

Правильно законспектированный лекционный материал позволяет студенту создать устойчивый фундамент для самостоятельной подготовки, дает возможность получить и закрепить полезную информацию. Именно на лекции создаются основы для эффективной и плодотворной работы с информацией, которая требуется студенту как в профессиональной, так и в повседневной жизни.

Восприятие лекции и ее запись – это процесс постоянного сосредоточенного внимания, направленного на понимание рассуждений лектора, обдумывание полученных сведений, их оценку и сжатое изложение на бумаге в удобной для восприятия форме. То есть, самостоятельная работа студента на лекции заключается в осмыслении новой информации и ее краткой рациональной записи. Правильно записанная лекция позволяет глубже усвоить материал, успешно подготовиться к практическим занятиям, зачетам и экзаменам.

2.2. Содержание лекционных занятий

Тема лекции: Атомные станции. Природоохранные комплексы для защиты воздушно-

го и водного бассейнов при использовании ядерного топлива.

Экологическая оценка атомных станций с позиции загрязнения атмосферы

Ватомных станциях используют ядерное топливо. Тепловая энергия выделяется в атомных реакторах в процессе деления ядер некоторых тяжелых элементов.

Ватомной энергетике в качестве ядерного топлива используют в основном природный изотоп урана -235 и искусственные изотопы уран-233 и плутоний-239. В природных условиях уран 235 находится в смеси с ураном-238, причем урана-235 всего 0,7% в общей массе. Вероятность протекания цепной ядерной реакции зависит прежде всего от энергии нейтронов.

Следует помнить правило Бора: тепловыми нейтронами делятся ядра с нечетным числом нейтронов (например, уран-235), а быстрыми – с четным (например, уран -238).

Впроцессе деления ядер образуются преимущественно быстрые нейтроны. Чтобы снизить энергию быстрых нейтронов и избежать взрыва, применяют вещества, замедляющие ядерную реакцию – графит, вода.

Наиболее часто применяют на АЭС реакторы на тепловых нейтронах: корпусные водо-водяные и канальные графито-водные. Для исключения перегрева и нарушения герметичности оболочки твелов используется система быстрого глушения (в течении нескольких секунд) ядерной реакции.

Преимуществом ядерного топлива с позиции энерговыделения является то, что при делении 1г изотопа урана или плутония высвобождается 22.5 МВт-ч тепловой энергии, что эквивалентно энергии, получаемой при сжигании 2,8 т условного топлива.

Кпоражающим факторам ядерного взрыва относятся: ударная волна, световое излучение, проникающая радиация и радиоактивное.

Можно назвать три причины загрязнения воздуха радиоактивными веществами

-выбросами АЭС.

7

Первая причина: твердые или газообразные продукты деления ядер топлива. Наибольшую вероятность попадания в воздух имеют газообразные осколки деления — инертные газы (ксенон, криптон и др.), а также радиоактивный йод.

Вторая причина — воздействие нейтронных потоков на теплоноситель первого контура и окружающий воздух. Наибольшей активации в составе воздуха подвержен инертный газ аргон, в результате чего Аг40 может превращается в радиоактивный изотоп Аг41 с периодом полураспада 1,82 ч. Наведенную активность может получить также находящаяся в воздухе пыль.

Третья причина — возможное нарушение оболочек с веществами, вводимыми в активную зону реактора для облучения. На АЭС существует значительное число разнообразных газообразных технологических сдувок, причем в некоторые периоды (например, периоды перегрузок) имеет место повышенная активность, требующая организации специальной дезактивации газообразных выбросов.

Очистка газообразных выбросов атомных станций теплоснабжения [11.]

Нормальный микроклимат и санитарные условия в технологических помещениях создают с помощью общеобменной приточно-вытяжной вентиляции. В помещениях, где расположены ядерные реакторы, кроме общеобменной приточно-вытяжной вентиляции имеется местная вытяжная вентиляционная система, называемая специальной вентиляцией, которая непосредственно связана с отсосом воздуха от реактора.

Удаляемый воздух очищают от аэрозолей тканевыми фильтрами-поглотителями (ФП). Для уменьшения активности инертных газов, выбрасываемых в атмосферу, их выдерживают в специальных емкостях-газгольдерах, где они распадаются, образуя новые радиоактивные аэрозоли с меньшей активностью, которые могут улавливаться фильтрами.

Иногда вместо газгольдеров применяют адсорберы, где одновременно с выдержкой происходит адсорбция газа. Воздух из системы специальной вентиляции выбрасывается в трубу. Количество ожидаемых радиоактивных выбросов подсчитывают в предположении нарушения определенного количества тепловыделяющих элементов (твэлов).

Принципиальная схема газгольдерной установки представлена на рис. 2.1.

Рис.2. 1. Схема газгольдерной установки: 1 – вход очищаемых газов; 2 - охладитель газа; 3 - аэрозольный фильтр; 4 - компрессор; 5 - газгольдер; 6 - вторая ступень аэрозольных фильтров; 7 – вентиляционная труба

8

Радиоактивные газы 1 проходят через газоохладители 2 и аэрозольные фильтры 3 и затем компрессорами 4 под давлением 0,8—1 МПа закачиваются в газгольдеры 5, где выдерживаются в течение 6—8 ч; затем через аэрозольные фильтры направляются в дымовую трубу 7.

Для очистки газов от радиоактивных загрязнений на ACT с реакторами ВВЭР при-

меняют более сложную радиохроматографическую систему. Очищаемый газ (рис. 2.2) проходит через охладитель 2, где его температура снижается до 20— 25 ° С; затем через самоочищающийся аэрозольный фильтр 3, в котором газ освобождается от капельной жидкости.

Рис.2.2. Принципиальная схема очистки газообразных отходов по радиохроматическому методу: 1- выход очищаемых газов; 2 – охладитель газа; 3- аэрозольный фильтр; 4 - цеолитовые колонны; 5- нагреватель воздуха(охладитель газов); 6 – фильтр-адсорбер; 7 – газодувка; 8- труба

Основным элементом аэрозольного фильтра является слой пористой насадки из стекловолокна с диаметром нитей 10—12 мкм. Для более глубокой осушки до влагосодержания 0,1 г/м3 газ пропускается через цеолитовые колонны 4. Когда в одной колонне производится глубокая осушка газа, в другой — регенерация его нагретым в теплообменнике 9 атмосферным воздухом, затем газ перед поступлением в газодувку охлаждается в теплообменнике 5.

Основным элементом схемы является адсорбер 6, где происходят динамическая адсорбция и радиоактивный распад радиоактивных газов в слое сорбента. Обычно адсорбер заполняют гранулами активированного угля типа СКТ. В результате динамической адсорбции и радиоактивного распада в адсорбере устанавливается стационарный режим. Коэффициент адсорбции существенно зависит от температуры, возрастая при повышении последней. Из адсорбера 6 газы поступают в газодувку 7 и выбрасываются в трубу8. Для очистки воздуха от аэрзолей используют, как правило, тканевые фильтры из ткани ФПА.

9

Темалекции: Технологическиеметоды очистки продуктов сгорания котельных и ТЭЦ от

оксидов азота, серы и продуктов неполного сгорания [8,11,17].

В современных условиях низкого качества окружающей среды неизбежно возникает необходимость обеспечения экологической безопасности любых объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду, в том числе воздушный бассейн. Это прежде всего относится к топливосжигающим установкам, использующим органическое топливо.

Наиболее действенными с позиции защиты воздушного бассейна оказываются технические методы, которые следует разделить на две крупные группы: технологические методы и методы очистки.

Технологические методы – это комплекс технологических решений и режимов работы технологического оборудования, которые направлены на снижение образования токсичных веществ в данном технологическом процессе[8]. Технологические методы менее затратные, чем очистка.

Технологические методы снижения загрязнения атмосферы выбросами стационарных топливосжигающих установок можно классифицировать так:

−повышение доли использования топлив с высокими экологическими характеристиками в топливном балансе;

−снижение расхода топлива путем повышения эффективности сжигания и снижения потерь теплоты при ее транспортировке и использовании;

−использование энергосберегающего оборудования;

−энерготехнологическая переработка твердых топлив;

−эффективное оборудование для выведения вредных выбросов с целью их рассеивания в атмосфере;

−использование методов подавления образования вредных веществ при сжигании различных видов топлива.

Рассмотрим некоторые из технологических методов, позволяющих снижать уровень загрязнения атмосферы.

Повышение доли топлива с высокими экологическими характеристиками в топливном балансе [8]

При неполном сгорании углеводородного топлива в атмосферный воздух выбрасывается большое количество токсичных веществ. Это оксид углерода, углеводороды, в том числе канцерогенный бенз(а)пирен, сажа, альдегиды и др.

Легче всего обеспечить полноту сгорания газообразных топлив, так как топливо и окислитель находятся в одном агрегатном состоянии, интенсивнее перемешиваются и вступают в реакцию горения (гомогенное горение). Среди газообразных топлив экологическое преимущество имеют легкие углеводороды, например метан. Чем больше в газообразном топливе тяжелых углеводородов, тем больше склонность к сажеобразованию и образованию бенз(а)пирена, т.е природный газ значительно экологичнее попутного, нефтезаводского и др.газов. Выброс оксидов азота – минимальный. Отсутствует выброс твердых частиц и сернистых соединений.

10