Экологические аспекты энергетики атмосферный воздух

Таблица 3.15

Нормативы удельных выбросов в атмосферу твердых частиц для ко гельных ус1 ановок, вводимых на ТЭС для твердого топлива всех

видов: числитель - до 31.12.2000 г., знаменатель - с 1.01.2001 г.

Как следует из приведенных данных, уровни удельных выбросов по основным загрязняющим веществам для транспортных средств значительно превышают таковые для котельных установок.

Нормативные значения ПДК и ПДВ по отдельным загрязняющим веществам имеют решающее значение при планировании мероприятий по охране атмосферного воздуха, составлении долгосрочных планов развития народного хозяйства, решении вопросов рационального размещения жилых объектов и предприятий. Объективная оценка экологического воздействия на окружающую среду различных предприятий позволяет более рационально распределять финансовые средства на проведение атмосфероохранных мероприятий и определять правильное направление работ.

Выбор оптимального направления развития энергетики будет зависеть от возможности выполнения корректных и научно обоснованных технико-экологических обоснований и экспертиз различных проектов. Такое технико-экологическое обоснование весьма затруднено и может носить субъективный характер в связи с неполным учетом всех факторов, определяющих экологическое воздействие энергетического объекта на окружающую среду.

Исследования, выполненные в Киевском политехническом институте, позволяют сформировать достаточно полную систему критериев экологического воздействия любого энергетического объекта на окружающую среду с учетом трех факторов: термодинамического (КПД установки), топливного (состав топлива) и технологического (особенности конструкции топочных устройств и условий их эксплуатации).

В зависимости от особенностей воздействия указанных факторов система показателей экологического воздействия на окружающую среду состоит из трех групп. К первой группе относятся показатели, которые зависят только от термодинамического фактора. Такая зависимость определяется в том случае, если относить объем загрязнения не к единице времени (как это принято), а к единице выработанной энергии.

Главным показагелем данной группы является показатель теплового загрязнения окружающей среды (Я^, МДж/кВт-ч), который имеет достаточно четкий экологический смысл и определяется следующим соотношением:

Г]

^^.КПД установки; q^nq^ — химический и механический недожоги.

В зависимости от типа топочного устройства сумма q^) может с о с т а в л я т ь от одного до нескольких процентов химической энергии т о п л и в а . Поэтому приведенное соотношение для экспертных оценок м о ж н о использовать в более простом виде при q^) 0.

Тепловое загрязнение окружающей среды ТЭС на базе ГТУ почти в 2 раза выше, чем у ТЭС на базе ИГУ. Применение парогазовых установок позволяет при одинаковой выработке электрической энергии снизить показатель загрязнения Я ^ по сравнению с ПТУ в 2 раза и по сравнению с ГТУ почти в 3 раза.

Таким образом, ГТУ по тепловому загрязисрщю окружающей среды является неконкурентоспособным агрегатом по сравнению с другими технологическими схемами преобразования энергии.

К группе показателей, определяющихся в основном термодинамическим фактором, можно отнести также показатель отторжения территории (Я м-/кВт ч), показатель электромагнитного воздействия (Я кДж/кВт ч) и другие.

Ко второй фуппе показателей, зависящих от термодинамического фактора и вида сжигаемого топлива, относится показатель углскислотного загрязнения окружающей среды (Я^о,) и показатель эмиссии паров воды ( ) • Методика их определения зависит от способа задания состава углеводородных топлив и распределения в них горючих компонентов.

®Ь1текают очевидные балансные соотношения:

3,6л Рсо, ^со. =• Л а,

JJ_ 1,8/л Рн,о

Ле,,

Здесь пмт — стехиометрические коэффициенты; Рсо, и Рн,о — плотность диоксида углерода и паров воды при нормальных условиях; Q^^ — теплота сгорания исходного топлива (МДж/м^). Полученные показатели имеют размерность кг вещества на киловатт-час выработанной энергии.

С использованием приведенных выше соотношений можно получить выражения для любых газовых смесей. Так, для синтез-газа (смеси СО и Н^):

3,6Гсо Рсо,

л

л й,

где /со и Гн — мольные доли компонентов синтез-газа.

При сжигании твердых и жидких топлив, заданных элементарным составом, соответствующие показатели определяются соотно-

ный коэффициент Бунте; Кн^о ^0,0124 (9HP+WP) — объем паров воды, образующихся при сжигании 1 кг топлива при известном содержании в элементарной массе водорода (Н?) и влаги (Wp).

Показатели данной группы в меньшей степени зависят от КПД , установки в сравнении с показателями первой группы. Однако зависимость Я от термодинамического фактора остается заметной, но на первые роли выходит топливный фактор. Так, максимальное углекислотное загрязнение достигается при сжигании оксида углерода, но при этом, естественно. Яр, q = О . При сжигании водорода Я^о, = О , но достигается максимальная эмиссия паров воды. Последнее обстоятель-

^•„д p„c«e„ '=1

где a — коэффициент избытка воздуха; С.— концентрация токсичного компонента (мг/м^).

Комплекс o.QJ{\ + aL^) характеризует теплоту сгорания стехиометрической горючей смеси и остается практически однозначным для различных топлив и равен ~ 2,7 мДж/кг

Если же отнести приведенную массу к киловатт-часу энергии, то искомый показатель токсичности (г/кВт-ч)

Г] /=1

Полученный показатель может быть определен по результатам полной диагностики состава продуктов сгорания или расчетным методом по имеющимся характеристикам токсичности.

Для заданной технологии сжигания топлива могут быть получены корреляционные соотношения вида СО СН^О что дает возможность прогнозировать содержание данных компонентов в продуктах сгорания по величине химического недожога топлива.

Более сложно прогнозировать содержание оксидов азота в продуктах с1орания, так как эмиссия N0^ определяется большим многообразием действующих факторов, большинство из которых являются взаимозависящими. Этим объясняется большая противоречивость данных по оксидам азота, особенно в камерах сгорания, ГТУ. Эмиссия N0^ (приведенных к а = 3,5) изменяется от 600 до 1000 и более мг/м' для агрегатов ГТН-25 ИЗЛ, до 300 мг/м^ для установок ГТ-35 ХТЗ. При этом установлена тесная взаимосвязь между уровнем эмиссии N0^ и режимными, конструктивными и эксплуатационно-технологически- ми особенностями установок.

Во всех случаях при уменьшении эмиссии возрастает доля химического недожога, что способствует росту концентрации СО в

ктах сгорания, а при наличии сажеообразования — появлению в пподуктах сгорания бенз(а)пирена.

Многообразие и противоречивость факторов, определяющих эмис- ]ч[0 в продуктах сгорания, существенно усложняют сопоставление и обобщение данных. В КИИ предложен алгоритм приведения N0^ вида

шгNO.

NO. = — ^ = К.ехр

RT

где N0 (мг/м'') - истинная концентрация оксидов азота в продуктах сгорания при текущем значении коэффициента избытка воздуха а и других параметров; К. — коэффициенты приведения, каждый из которых определяется по соотношениям;

Ki^ — обобщенный коэффициент.

Таким образом, схема приведения подразумевает не только приведение к нормальным условиям: давлениюр^^^ и температуре но и приведение по коэффициенту избытка воздуха а, концентрации кислорода в окислителе \|/ и времени пребывания т.

При оценке коэффициента приведения К^ в свою очередь следует знать объемную плотность тепловыделения (q^ Вт/м^-Па) и интегральную относительную температуру в зоне реакции Т = Т Т^ где Т^ — начальная температура окислителя на входе в топочное устройство.

Температура Т определяется на основании уравнения теплового баланса с учетом химического недожога и зависимости теплоемкости

При этом теплоемкость каждого компонента определялась в виде Нома первой степени от температуры

Ср=а.'+ аТ,'

а теплоемкость продуктов сгорания рассчитывалась как теплоемкость смеси идеальных газов, состав которых определяется коэффициентом избытка окислителя

Совместное решение указанных уравнений относительно Гпозволяет получить уравнение

а., Ь., с. - коэффициенты в уравнениях теплоемкости для воздуха, продуктов сгорания и топлива.

С использованием предложенного алгоритма приведения N0^ в КПИ обработаны данные многочисленных исследований эмиссии NO^., Некоторые результаты такой обработки представлены в табл. 3.17. Как видно, каждое из исследованных топливосжигающих устройств ха* рактеризуется конкретной зависимостью N0^ , которая носит стабиль^ ный характер при отсутствии каких-либо дополнительных воздействий! Причем это подтверждается обработкой данных различных исследователей в разных условиях их проведения.

Высокая стабильность воспроизведения характеристик N0^=7(7) позволяе! использовать полученные кинетические константы К^ и Е^ при прогнозировании приведенных и валовых выбросов N0^.