Экологические аспекты энергетики атмосферный воздух

Система содержит датчики расхода топлива и воздуха, газоанализаторы для определения содержания в дымовых газах таких токсичных веществ, как оксиды азота, окись углерода, бенз(а)пирен и др. В ее состав входит сумматор условной токсичности выбросов, подключенный по входному сигналу к выходам газоанализаторов, а по выходному сигналу он сообщен с входом блока расчета разности превышений условной токсичности выбросов над допустимым ее значением. На вход блока подается сигнал от задатчика нормативной токсичности выбросов, а выход блока сообщен с входом регулятора, который получает сигналы с датчиков топлива и воздуха, а затем передает управляющий сигнал на направляющие аппараты, и таким образом регулируется подача рециркулирующих газов и воздуха в топку котла.

Этот способ автоматического регулирования процесса горения реализуется следующим образом. Для котельного агрегата составляют нормативную характеристику условной токсичности выбросов с учетом режимов работы в пределах маневренности по нагрузке. При этом для всех нагрузок с помощью газоанализаторов измеряют выбросы таких токсичных веществ, как оксиды азота, углерода и канцерогенных веществ. По уровню валовых выбросов для каждой нагрузки определяют суммарную допустимую условную токсичность выбросов. Задатчик условной токсичности выбросов настраивают по соответствующему уровню выбросов во всем интервале нагрузок теплового агрегата.

При изменении нагрузки котла от датчиков расходов топлива и воздуха поступает сигнал на регулятор, а от газоанализаторов поступает сигнал на сумматор токсичности, выход которого сообщен с блоком расчета разности превышения условной токсичности выбросов над допустимым уровнем, значение которого для соответствующей нагрузки агрегата устанавливают задатчиком. Сформировавшийся в блоке сигнал подается в регулятор, который дает управляющий сигнал на направляющие аппараты, обеспечивающие требуемую подачу рециркулирующих газов и воздуха в топку котла. Таким образом обеспечивается минимальный выброс загрязняющих веществ с продуктами сгорания топлива по условной токсичности. В качестве примера для реализации предложенного способа приведены такие ток-

сичные компоненты дымовых газов, как оксиды азота, окись углерода, канцерогенные вещества. В случае изменения состава токсичных выбросов система может быть настроена соответствующим образом на другие вещества.

Основное преимущество этого способа по сравнению с известными состоит в том, что при его реализации можно существенно снизить суммарную токсичность выбросов с продуктами сгорания топлив за счет одновременного учета токсичности нескольких токсичных веществ и управления подачей рециркулирующих газов в зависимости от уровня превышения фактической токсичности выбросов (при заданной нагрузке котла) нормативного ее значения.

9.5. ВВОД ВЛАГИ В ТОПКУ И СЖИГАНИЕ ВОДОМАЗУТНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

К числу эффективных малозатратных экологических мероприятий по снижению выбросов оксидов азота газомазутными котлами относятся различные способы подачи воды и водяного пара в зону горения, а также сжигание водомазутных эмульсий (ВМЭ). Эти способы могут применяться в сочетании с другими (снижение избытков воздуха, рециркуляция дымовых газов). При реализации этого способа можно использовать загрязненные воды, что позволяет решать одновременно проблему защиты водного бассейна.

Локализованное зональное воздействие на факел воды или водяного пара позволяет сократить образование сажи, бенз(а)пирена и топливных оксидов азота, а также снизить концентрации тепловых оксидов азота и серного ангидрида. Сокращение выхода оксидов азота происходит в основном из-за ингибирующей роли влаги в процессах окислительных реакций; балластирования топливовоздушной смеси и замедления ее выгорания; снижения максимальной температуры факела вследствие растягивания процесса горения. Наиболее значительный эффект достигается при пониженных избытках воздуха и локализованном зональном впрыске воды и водяного пара. Ввод влаги в топку котла может осуществляться различными способами: через паровые каналы мазутных форсунок (водяными форсунками, размещенными на боковых стенках топки перпендикулярно либо встречно оси факелов горе-

лок); через воздушный канал. Экологическая эффективность этого метода иллюстрируется данными, приведенными на рис. 9.7.

1,0

0,9

0,8

0,7

В результате экспериментальных и аналитических исследований установлено, что при вводе влаги в топочную камеру происходит снижение экономичности котла. Эффективность этого способа зависит от водотопливного отношения и места ввода воды или водяного пара в топку. Наибольший экологический эффект достигается при впрыске воды или водяного пара в воздушные каналы горелок либо локализованно в отдельные зоны факела. Впрыск влаги в количестве до 8-10% (по отношению к топливу) позволяет снизить выход оксидов азота до 25-30% с одновременным сокращением выброса канцерогенных веществ. Дополнительные тепловые потери, связанные с затратами теплоты на испарение влаги и подготовку водяного пара, находятся на уровне 0,5-0,6%. Наименьшие потери тепла имеют место при поступлении воды непосредственно в факел, на начальном его участке, где может происходить диссоциация паров воды.

Вопрос определения оптимальных значений водотопливных отношений и мест ввода влаги для конкретных типоразмеров котлов решается по результатам технико-экономических расчетов.

вусловиях эксплуатации мазутных котельных установок на ТЭС

икотельных происходит обводнение мазутов на разных стадиях их выгрузки, хранения и подготовки к сжиганию. Эффективное использование естественно обводненных мазутов в котельных установках обеспечивается сжиганием их в виде водомазутных эмульсий, приготовленных в эмульгаторах различных конструкций. Установлена связь между степенью обводненности мазутов и экологическими показателями котлов в части выбросов оксидов азота. Сокращение выхода оксидов азота связано в первую очередь со снижением максимальной температуры факела, проявлением химической активности воды в процессах газификации несгоревших сажистых частиц и возможностью снижения избытков воздуха в зоне горения.

Для обводненных мазутов вследствие снижения содержания горючих в рабочей массе сокращается теплота их сгорания, объем продуктов сгорания, соотношение между отдельными их составляющими.

При сжигании обводненных мазутов в виде водомазутных эмульсий снижается теоретическая темпсратзфа сгорания в топочной камере тем больше, чем выше обводненность мазута. В пределах обводненности мазута от О до 30% теоретическая температура сгорания топлива уменьшается в среднем на 4-4,5° С на каждый 1% роста обводненности. Эффективность использования обводненного мазута по сравнению с необводненным снижается за счет затрат теплоты топлива на испарение дополнительной влаги.

Относительная потеря теплоты на испарение влаги топлива может быть найдена по выражению

А,

в энергетических котлах возможности снижения избытков воздуха весьма ограничены. В результате исследований, выполненных на мощных котлах современных конструкций, обводненность мазута, при которой достигается максимальное сокращение выбросов оксидов азота (до 20%), не должна превышать 7-10%. Экологический эффект (уменьшение платы за выбросы) при сжигании ВМЭ ниже дополнительных затрат на топливо, связанных со снижением КПД котла, которое составляет порядка 0,3-0,5%. При повышении влагосодержания

ВМЭ сверх приведенного уровня отмечается ухудшение процесса горения, сопровождающееся растягиванием факела, неудовлетворительным распылением топлива и т. п.

В сложившихся условиях эксплуатации энергетических котлов использование ВМЭ с естественным обводнением мазута является малозатратным и эффективным экологическим мероприятием. Использование ВМЭ с искусственным обводнением мазута для энергетических котлов с относительно высоким уровнем организации топочных процессов не приводит к положительным эколого-экономическим результатам.

Эффективность снижения генерации оксидов азота технологическими методами, по данным зарубежных авторов, приведена в табл. 9.6.

9.6. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК МЕЖДУ КОТЛАМИ

Зависимость выхода некоторых токсичных веществ от нагрузки котлов и других их режимных параметров используется при частичных нагрузках ТЭС. Существует возможность сокращать их выбросы путем распределения нагрузок между котельными агрегатами на ТЭЦ с параллельными связями либо между энергоблоками на КЭС. Вынужденное снижение нагрузки котлов в периоды неблагоприятных

метеоусловий, если это ис вызвано произволеluciuuu! HoooxeiuiMoe1ЫО, НС позволяет сущеетвснпым образом сокраицггь ypoiieiii, копнен граций загрязняющих веществ в атмосфере. Это связано, в первую очередь, со значительным изменением условш'! распрострапснп>1 дымового факела. В результате сокращения объема отводп\п,1х про^ дуктов сгорания уменьшается эффективная высота выброса, чю не способствует снижению концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. В некоторых условиях преобладаюип1м формировании наземных концентраций загрязняюпп1х веществ является величина самих выбросов.

Таким образом, появляется потребность в создании системы управления нагрузкой каждого из коглоагрсгатов или эпергоблоков (без снижения суммарной их нагрузки) с учетом гжологичееких ограничений и экономических показателей. При этом должны исходить из того, что нужно соблюдать ограничения по выбросам загрязняющих веществ с минимальными эксплуатациопнымн загратами. Изменением нагрузки и других режимных меропрняти!! в первую очередь можно снижать выход оксидов азота, окиси углерода и углеводородов.

Распределять нагрузку между совместно работающикн! котлоагрсгатами нужно не по их относительным нри1^остам расхода югищва. а по относительным приростам уелов1юй гоксичности выбросов. При таком подходе к решению задачи снижения ва.1ювььх выбросов загрязняющих веществ коглами потребление нм)1 топлива будез несколько выше, чем при распределении нагрузок между ними но гон]пп?ным расход)1ым характеристикам. Экономическая целесообразность иредложенгюго способа распрсделет1я нагрузок между котлами в обычных условиях их эксплуатации устанавливается при превышении предотвращаемого экологического ущерба, причиняемого окружающс11 среде, над стоимостью псрерасходоварпюго топлива.

Следует иметь в виду, что при работе ТЭС с уровнем выбросов загрязняющих веществ, превыщающим предельно допустимые значения и создающим кониенграции загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы выше допустимых значении, обязаге.тьно должна ставиться задача доведения выбросов токсичных всщесгв до

нормативных уровней с учетом ограниченных средств на (|)инанси-

рование мероприятий и текущих затрат на эксплуатацию оборудования и систем контроля.

При распределении нагрузок между котлами по экономическим показателям и экологическим ограничениям нужно обеспечить максимально возможное снижение стоимости тепло- и электроэнергии, а также достигнуть минимального ущерба, причиняемого окружающей среде выбросами загрязняющих веществ. Это может быть получено путем оптимизации взаимодействующих между собой противоречивых целевых функций по двум критериям. При этом не существует рещения, при котором достигается минимзш затрат на топливо и минимальный экологический ущерб, поэтому требуется компромиссное рещение. Оно может быть получено путем построения зависимостей затрат на топливо или стоимости вырабатываемой тепло- и электроэнергии, а также экологического ущерба от количества выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Вопросы оптимального распределения нагрузок между совместно работающими котлами актуальны не только для ТЭС, но и для котельных промышленных предприятий. В большинстве случаев считается, что распределением нагрузок между совместно работающими котлами можно сократить расход топлива в целом по котельной на 0,2-0,5%. В зависимости от состава котлов и их состояния уровень экономии топлива может быть более высоким. При распределении нагрузок между совместно работающими котлами обычно вьщеляют условно-постоянную составляющую годовьк эксплуатационных расходов и капиталовложений и находят в составе приведенных затрат минимум топливной составляющей затрат или минимум суммарного расхода топлива. Для совместно работающих котлов на одном виде топлива по условиям минимального расхода топлива должно соблюдаться условие равенства характеристик относительных приростов расхода топлива

Условие распределения нагрузки между совместно работающими котлами с соответствующим характером изменения экологических показателей, при котором обеспечивается минимум суммарной токсичности выбросов, запишется как

dQ, dQ, dQ,~-~dQ„'

Для многокомпонентной смеси продуктов сгорания топлив токсичность отдельных веществ суммируется. Следует отметить, что удельные выбросы оксидов серы для котлов, не оборудованных сероочистными установками, не зависят от режимов работы котлов, а однозначно определяются серосодержанием топлива. Поэтому в условиях сохранения неизменной структуры топливного баланса котельной ТЭС можно рассматривать токсичность выбросов оксидов азота, заменив относительный прирост токсичности приростом валового выброса оксидов азота, отнесенному к заданному интервалу нагрузки.

В соответствии с поставленной задачей для заданного состава включенных в работу котлоагрегатов находится такой режим их загрузки, который обеспечит выработку заданного количества теплоты при минимальных расходах топлива и выбросов в атмосферу вредных веществ с продуктами его сгорания. Решение задачи осуществляется с составлением функций Лагранжа без учета различий в затратах на собственные нужды котлов и других потерь в котельном цехе.

где Т. — условная токсичность выбросов;

5/— потребление топлива котлами при распределении нагрузок по экологическим характеристикам;

е..— удельный выброс токсичного вещества;

А.— удельная токсичность вещества;

Ат^ — интервал времени.

Уравнение связи — экологические характеристики каждого котла (по выбросам — Ми токсичности Т)\

T=f(Q).

Уравнения ограничений (по тепловой нагрузке Q. и затратам):

где Ц^ — цена топлива;

— потребление топлива котлами при распределении нагрузок по расходным характеристикам;

П^ — плата за выбросы (налог).

Суммирование токсичности выбросов с продуктами сгорания топлива в котлах при /-Й нагрузке осуществляется по формуле

где М — выброс рассматриваемых токсичных веществ от каждого из котлов;

А.— показатель относительной токсичности выбрасываемого вещества.

Для интервала нагрузок котла в пределах его маневренности выброс загрязняющих веществ может быть найден по зависимости

Mj = C^e^Qi. кг/ч,

где С — удельный выброс загрязняющего вещества при заданной нагрузке котла (кг/т у.т.);

в.— удельный расход топлива на выработку теплоты, т у.т/ГДж; Q.— тепловая HaipysKa котла, ГДж/ч.

С учетом удельного расхода топлива на выработку теплоты последнее выражение можно записать в виде

Как видим, для определения валового выброса загрязняющих веществ нужно иметь сведения об удельных выбросах этих веществ в кг/т у. т. при

соответствующей нафузке котла. Их можно получить расчетным путем, что не позволяет в достаточной степени учесть особенности генеращги оксидов азота при работе каждого из котлов. Поэтому для всех котлов нужно получить экспериментальные зависимости удельных выбросов оксидов азота во всем рабочем интервале рабочих нагрузок.

Уровни удельных выбросов токсичных веществ для каждого из рассматриваемых условий сжигания топлива обычно имеют фиксированные значения и отражают состояние экологических показателей

котлов во время проведения испытаний. Для эксплуатационных условий, отличающихся от таковых во время проведения испытаний, вводится уточнение и корректировка значений удельных выбросов этих веществ и, как следствие, уровней загрузки котлов. При отклонении значений удельных выбросов загрязняющих веществ от принятого ранее уровня их величина корректируется по реальному состоянию эксплуатации котлов, а затем соответственно корректируются и характеристики относительных приростов выбросов загрязняющих веществ, а, следовательно, и режимы загрузки котлов с применением поправочных коэффициентов из условий эквидистантности изменения кривых графиков выбросов 5М - М ^ - Л/^..

По результатам выполненных расчетов оптимальное распределение нагрузок между котлами с учетом экологических характеристик может обеспечить снижение, например, выбросов оксидов азота до 10%.

Предложенный способ определения оптимальных режимов загрузки котлов при многовариантности решения этой задачи может осуществляться как обычным графическим способом, так и с помощью ЭВМ с использованием специально разработанных программ.

Следует отметить, что в топках котлов и камерах сгорания ГТУ образуется порядка 90% N 0 и 10% NO^. Поэтому, попадая в атмосферу, оксиды азота проходят ряд преобразований прежде чем превращаются в азотную кислоту (рис. 9.8) и выпадают в виде кислотных дождей.

Кроме того, N0^ активно воздействуют на фотохимические процессы в атмосфере (рис. 9.9), распространяясь на значительные расстояния из-за достаточно высокой продолжительности процесса трансформации (табл. 9.7).

Таблица 9.7

Рассеивание и трансформация некоторых веществ в атмосфере