Практическая работа №3

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЖИГАНИИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА

Цель работы: оценить воздействие на окружающую среду продуктов сгорания твердого и газообразного топлива.

Введение

Промышленные предприятия являются крупными потребителями энергии в различных ее формах и объемах. Для получения энергии необходимо сжигание определенного количества топлива.

Врезультате сжигания топлива на окружающую среду и, прежде всего на воздушный бассейн, оказывается негативное воздействие в форме выбросов загрязняющих веществ. Степень загрязнения окружающей среды зависит как от вида и качества используемого органического топлива, так и от типа энергетических установок.

Впоследние годы все большее внимание уделяется газообразному топливу, как наиболее экологически чистому. В силу хорошей смешиваемости газообразного топлива с воздухом процесс окисления идет практически до конца. Это приводит к образованию безвредных или малотоксичных продуктов. Кроме того, зольность газообразного топлива предельно низка или вообще равна нулю.

Вэнергетике Республики Беларусь в последнее время ежегодно сжигается порядка 12 млн. тонн условного топлива. В структуре топливного баланса природный газ превышает 80%, остальное

–сернистый мазут, попутный газ и др.

Всоответствии с целевой программой повышения доли местных видов топлива в топливно-энергетическом балансе страны одной из главных целей в области повышения энергетической безопасности Республики Беларусь должно стать увеличение доли использования местных энергоресурсов и альтернативных источников энергии до 25 % в производстве тепловой и электрической энергии.

При оценке замещения вида топлива необходимо учитывать не только экономические показатели, но и тепловые и экологиче-

492

ские, так как любое органическое топливо имеет свои как экономические, так и экологические особенности.

1. Топливно-энергетические ресурсы Республики Бела-

русь

За счет ресурсов, имеющихся на территории Республики Беларусь (нефть, попутный газ, торф, дрова, гидроэнергия), обеспеченность энергией составляет примерно 15 %.

Нефть и попутный газ. Разведанные месторождения нефти на территории Беларуси сосредоточены в нефтегазоносной области

– Припятской впадине, площадь которой около 30 тыс. км2. С начала разработки добыто 108 млн. т нефти и 11,3 млрд. м3 попутного газа, остаточные запасы нефти промышленных категорий составляют 58 млн. т, попутного газа – 34,3 млн. м3. Обеспеченность активными запасами составляет 15 лет, а вместе с трудноизвлекаемыми – 31 год.

Торф. В республике разведано более 9000 торфяных месторождений общей площадью в границах промышленной глубины залежи 2,54 млн. га и первоначальными запасами торфа 5,65 млрд. т. К настоящему времени оставшиеся геологические запасы оцениваются в 4 млрд. т, что составляет 70 % от первоначальных. Основные запасы залегают в месторождениях, используемых сельским хозяйством.

Горючие сланцы. Прогнозные запасы горючих сланцев (Любанское и Туровское месторождения) оцениваются в 11 млрд. т, промышленные – 3 млрд. т.

По своим качественным показателям белорусские горючие сланцы не являются эффективным топливом из-за высокой их зольности и низкой теплоты сгорания. Они не пригодны для прямого сжигания, а требуют предварительной термической переработки с выходом жидкого и газообразного топлива. Следует отметить, что получаемая после термической переработки черная зола не пригодна для дальнейшего использования в сельском хозяйстве и строительстве, а из-за неполного извлечения органической массы в золе прослеживается содержание канцерогенных веществ.

Бурые угли. По состоянию на 1 января 2003 года в неогеновых отложениях известно 3 месторождения бурых углей: Житко-

493

вичское, Бриневское и Тонежское с общими запасами 151,6 млн. т. Угли низкокалорийные, влажность - 56-60 %, средняя зольность – 17-23 %, пригодны для эффективного использования в качестве коммунально-бытового топлива после брикетирования совместно с торфом.

В качестве альтернативных источников энергии с учетом природных, географических и метеорологических условий республики рассматриваются малые гидроэлектростанции, ветроэнергетические установки, установки по производству биогаза, гелиоводонагреватели, установки для брикетирования и сжигания отходов растениеводства и др.

2.Теплотехнические характеристики топлива

Теплота сгорания (Q) – количество тепла в кДж (в килокалориях: 1 кал = 4,187 Дж), которое выделяет при полном сгорания 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м3 газообразного топлива при нормальных физических условиях.

Теплота сгорания (Q), ранее называвшаяся теплотворной способностью, является важнейшей характеристикой, определяющей тепловую ценность любого топлива. Теплота сгорания любого топлива определяется экспериментально в специальной калориметрической установке.

Для сравнения тепловой ценности различных видов топлива пользуются понятием условного топлива,

Условное топливо (Мтопл усл) - единица учёта органического топлива, применяемая для сопоставления эффективности различных видов топлива и суммарного учёта их. Низшая теплота сгорания (Q н) 1 кг твёрдого (жидкого) условного топлива равна 29,35 МДж/кг, а низшая теплота сгорания (Q н) 1 м3 газообразного условного топлива принимается 7000 ккал/м3.

Этой величиной пользуются при суммировании различных топливных ресурсов, сравнении удельных расходов топлива и при проведении технико-экономических расчетов.

494

3.Состав топлива

Для получения тепло- и электроэнергии используется твердое (угли (бурые, каменные, антрацитовый штыб), горючие сланцы и торф), жидкое (мазут, сланцевое масло, дизельное топливо) и газообразное(природный и попутный газ) топливо.

Свойства топлива как горючего материала определяются его составом. Любое топливо состоит из горючей и негорючей частей. Горючую часть образуют углерод (С), водород (Н) и сера горючая

(летучая) SA.

К негорючей части относятся кислород (О), азот (N); минеральные вещества (А) и влага (W). Перечисленные элементы С, Н, SA, О, N образуют сложные химические соединения. Чтобы установить состав топлива, проводят технический и химический (элементарный) анализ топлива.

Жидкое и твердое топливо принято характеризовать так называемым элементарным составом, определяемым в лаборатории. При этом условно считают, что топливо состоит из перечисленных элементов, находящихся в свободном состоянии в виде механической смеси.

Такая условность, не отражая химико-физической природы топлива, создает, значительны удобства при проведении практических расчетов материального и теплового баланса горения, а также при определении расчетным путем тепловой ценности топлива.

Углерод является основным горючим элементом топлива. Его содержание на горючую массу составляет: в древесине и торфе 5065%, в бурых углях 67-72%, каменных углях 76-90% и в антрацитах 92-94%, т.е. с увеличением геологического возраста твердого топлива содержание в нем углерода повышается. Состав жидких нефтяных топлив является достаточно стабильным и содержание в них углерода на горючи массу колеблется в узких пределах 86-87%.

Углерод характеризуется высоким удельным тепловыделением. При полном сгорании 1 кг углерода выделяется 33600 кДж теплоты. Следовательно, углерод по существу определяет тепловую ценность топлива.

Водород является вторым важнейшим горючим элементом топлива. Его содержание на горючую массу составляет: в древесине и торфе 6,0-6,5 % , в бурых углях около 5,0 %, в каменных углях

495

4,0-5,5 % и антрацитах 1,5-2,5 %. В жидких нефтяных топливах содержание водорода значительно выше и на горючую массу составляет 10-12 %. Тепловая ценность водорода почти в четыре раза выше тепловой ценности углерода. При полном сгорании 1 кг водорода и конденсации продуктов сгорания выделяется 141500 кДж тепла, без учета конденсации водяных паров 119000 кДж.

Сера, является третьим, весьма нежелательным, горючим элементом топлива. Содержание серы в топливах колеблется от 0 до нескольких %. При полном сгорании 1 кг серы летучей выделяется 9000 кДж тепла.

При горении серосодержащего топлива в промышленных топливосжигающих устройствах (печах, котлах, газотурбинных установках и др.) наряду с сернистым газом (SO2) образуется незначительное количество серного ангидрида (SO3). Наличие последнего в газообразных продуктах сгорания при определённых условиях вызывает сернокислотную, т.е. низкотемпературную, коррозию металла оборудования.

Кислород и азот являются нежелательными элементами топлива. Наличие их в топливе снижает содержание горючих элементов. Кислород, кроме того, связывает часть горючих элементов топлива, обесценивает его. Азот в топливе способствует образованию в газообразных продуктах сгорания оксидов азота, обладающих высокой токсичностью, значительно превышающей токсичность оксидов серы.

Кислород и азот принято называть внутренним балластом топливо. В жидких нефтяных топливах содержание кислорода и азота незначительно и в сумме (О+N) составляет 0,50-1,75%. В твердых топливах содержание кислорода и азота может быть значительно больше.

Зола представляет собой смесь различных минеральных веществ, которые остаются после полного сгорания горючей часта топлива. Зольность жидких топлив по своему значению невелика. Например, для дизельного топлива не более 0,02%, для топочных мазутов не более 0,30 %. В твердых топливах содержание золы может достать значительных величин (до 30 % и более на сухую массу). Зола является внешним балластом топлива. Она, снижает содержание горючей части топлива, вызывает дополнительные затра-

496

та на его добычу и транспорт. Она может вызывать эрозивный износ элементов оборудования. Содержание ванадия в золе жидких нефтяных топлив может при определенных температурах условиях привести к ванадиевой так называемой высокотемпературной коррозии металла. Наличие солей натрия, окислов железа в золе жидких нефтяных топлив оказывает каталитическое действие на протекание сернокислой низкотемпературной коррозия металла.

Влага относится к внешнему балласту топлива. Наличие её (так же, как кислорода и азота) уменьшает содержание горючей части топлива. Это снижает тепловую ценность топлива, а также увеличивает расходы на его транспорт.

Газообразное топливо представляет собой простую механическую смесь горючих и негорючих газов. В горючую часть могут входить окись углерода (СО), водород (Н2), метан (CH4), тяжелые углеводорода (CmHn), и иногда сероводород (H2S).

В негорючую часть могут входить кислород (O2), азот (N2) и двуокись углерода (CO2). В состав газообразного топлива, кроме того, входят и примеси – водяные пары, смолы, пыль и т.п.

4.Влияние сжигания топлива на окружающую среду

Горение – сложный физико-химический процесс взаимодействия топлива с окислителем, протекающий при высоких температурах и сопровождающийся интенсивным выделением теплоты. В качестве окислителя чаще всего используется кислород атмосферного воздуха.

При сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива вся его масса превращается в отходы, причем количество продуктов сгорания в несколько раз превышает массу использованного топлива за счет включения азота и кислорода (в 5 раз – при сжиганиигаза, в 4 раза – угля).

Существенное влияние на состав образующихся вредных веществ при сжигании топливаоказывают:

1)вид топлива;

2)режимгорения.

Диоксид углерода и пары воды – основные по массе отходы производства – при поступлении в атмосферу, включаются в природные циклы и поглощаются растительностью в процессе синтеза

497

органических соединений и регенерации кислорода. В этом качестве эти отходы нельзя признать вредными.

Однако масштабы использования органического топлива и соответственно выброса диоксида углерода по некоторым оценкам превышают регенерационныевозможностирастительногомира.

В результате в атмосфере наблюдается возрастание удельного веса диоксида углерода (углекислого газа) СО2. Влияние СО2 вы-

ражается не только в токсическом действии на живые организмы, но и в способности поглощать инфракрасные лучи.

При нагревании земной поверхности солнечными лучами часть тепла в виде инфракрасного излучения отдается обратно в мировое пространство. Это возвращаемое тепло частично перехватывается газами, поглощающими инфракрасное излучение, которые в результате нагреваются. Если это явление происходит в тропосфере, то с ростом температуры могут происходить климатические изменения (“парниковый эффект”). По мнению многих ученых, это может привести к ряду катастрофических последствий глобального масштаба, в том числе к таянию ледников, повышению уровня мирового океана и затоплению огромных и наиболее обжитых прибрежных территорий океанов, перераспределению осадков, речногостока и др.

Зола, оксиды серы, азота и многие другие компоненты дымовых газов являются вредными веществами, превышение концентрации которых над санитарными нормами в воздушном бассейне недопустимо.

Количество твердых веществ, выбрасываемых в атмосферу, определяется зольностью топлива, полнотой сгорания горючей массы, глубинойзолоочистки.

При горении сера, присутствующая в органическом топливе, превращается в диоксид серы, количество которого определяется сернистостью используемого топлива.

Проблема загрязнения атмосферы сернистым ангидридом приобретает еще большую остроту в связи с трансграничным переносом примесей.

Оксиды азота образуются при горении за счет окисления азота воздуха только при высоких температурах и за счет азота в топливе, находящегося в сложных органических соединениях, вхо-

498

дящих в состав угля и в молекулярном состоянии. В оксид азота (II) NO переходит 10-30 % топливного азота. На выходе из дымовой трубы диоксид азота (NO2) составляет 10-15 %, остальные 85-90 %

составляет в основномNO.

Далее при движении дымового факела в атмосфере количество диоксида азота увеличивается до 60-70 %. Диоксид азота токсичнее, чем оксид. Если выбросы от автотранспорта производятся на уровне земли, то выбросы энергетических предприятий осуществляютсяна высоте более 100-300 м. Это способствует не только дальнему переносу примесей, но и попаданию их в верхние слои атмосферы, в частности в озонный слой, расположенный на высоте18-26 км.

В результате сложных реакций при высоких температурах недостаточном количестве кислорода, подаваемого в зону горения, в дымовых газах образуется полициклический углеводород бенз(α)пирен С20Н16, обладающий канцерогенными свойствами.

(Канцерогенными веществами являются химические вещества, воздействие которых на человека вызывает развитие онкологиче-

ских заболеваний). Агрегатное состояние бенз(α)пирена в дымовых газах – аэрозольное.

При неполном сгорании жидкого топлива в дымовых газах образуются крупнодисперсные, липучие частицы сажи, состоящие преимущественно из углерода. Сажа способна адсорбировать бенз(α)пирен, в результате чего ее частицы приобретают канцерогенныесвойства.

К вредным воздействиям ТЭС следует отнести и выбросы теплоты, приводящие к тепловому загрязнению окружающей среды. Тепловые выбросы ТЭС воздействуют на окружающую среду, меняя микроклимат в районе ее размещения, а при больших концентрациях мощности могут привести к изменению циркуляции воздушныхмасс, их температурыи влажности.

5.Основные пути, уменьшающие отрицательное воздействие сжигания топлива на окружающую среду

Основные пути, позволяющие существенно уменьшать отрицательное воздействие на окружающую среду при сжигании топлива базируются в основном на совершенствовании технологий под-

499

готовки топлива и улавливания вредных отходов. К их числу относятся следующие:

-использование и совершенствование очистных устройств. В настоящее время улавливаются в основном твердые выбросы с помощью различного вида фильтров;

-уменьшение поступления соединений серы в атмосферу посредством предварительной десульфурации топлива химическими или физическими методами, в результате чего удается извлечь из топлива от 50 до 70% серы до момента его сжигания;

-уменьшение концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы в результате рассеивания вредных выбросов высокими трубами электростанций, более рационального их размещения, усиления контроля за выбросами и экологическое управление режимами энергетических предприятий с использованием экологическичистыхтоплив.

6. Индивидуальное задание

(Номер варианта соответствует порядковому номеру в журнале)

Исходные данные для расчетов по газообразному топливу – состав попутного газа (Белорусский ГПЗ, Речицкое месторождение нефти) – представлены в таблице 3.1.

Исходные данные для расчетов по твердому топливу представлены в таблицах 3.3, 3.4.

1. Определить годовой расход (Мтопл) твердого и газообразного топлива, необходимого предприятию для обеспечения собственных нужд.

Годовой расход топлива рассчитывается по формуле:

Мтопл=Мтопл усл/К

(3.1)

где Мтопл усл – расход условного топлива (т.у.т./год). К – калорийный эквивалент.

Для сравнения тепловой ценности различных видов топлива используется понятие условного топлива (у.т.).

500

Расход условного топлива рассчитывается по формуле:

где Jгод – количество отпускаемой теплоты за год, для всех вариантов принято постоянным и равным 1000 Гкал/год. 1

Гкал=142,85×10-3 т.у.т.

Пересчет расхода условного топлива (Мтопл усл) в натуральное (Мтопл) производится с помощью калорийного эквивалента (К).

Калорийный эквивалент (К) представляет собой отношение низшей рабочей теплоты сгорания натурального топлива к низшей теплоте сгорания условного топлива:

где Q – низшая рабочая теплота сгорания натурального топлива (для твердого (жидкого) топлива – данные в таблице 3.3, для газообразного топлива – данные в таблице 3.1), МДж/кг (ккал/м3);

Qн – низшая теплота сгорания условного топлива, для 1 кг твёрдого (жидкого) равна 29,35 МДж/кг, для 1 м3 газообразного условного топлива принимается 7000 ккал/м3.

2. Рассчитать количество выбросов (тыс. т/год), образуемых при сжигании твердого и газообразного топлива. Составить материальный баланс при сжигании газообразного топлива.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЖИГАНИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

В соответствии с законом сохранения массы суммарный вес всех продуктов сгорания топлива равен сумме веса сжигаемого топлива и веса расходуемого при сжигании воздуха.

501

На этой схеме величина Х равна той доле общего количества минеральных примесей в топливе, которые при его сжигании образуют шлаки и остаются в топке, соответственно доля (1-Х) превращается в летучую золу (аэрозоль) и поступает на фильтр, если он есть. На фильтре, в соответствии с его эффективностью, улавливается доля поступившего аэрозоля (С) и выбрасывается в открытую атмосферу доля (1-С).

Расчет количества образующихся при сжигании топлива шлаков и количества выбрасываемых в атмосферу аэрозолей осуществ-

где Z – зольность топлива, % (данные таблица 3.3);

С– уловлено фильтром, % (данные таблица 3.3);

Х– доля шлаков от общего количества минеральных приме-

Для дальнейшего анализа выбросов веществ при сжигании топлива необходимо знать его элементный состав (данные таблица

3.4).

Масса кислорода (Мкислорода.) и воздуха (Мвозд.), необходимые

где 0.2314 – доля кислорода в единице массы воздуха.

503

Таблица 3.1 Состав попутного газа

Зная состав газов горючей смеси, рассчитывается потребление кислорода и воздуха, выделение углекислого газа и паров воды.

При правильном расчете количества участвующих в процессе горения органического топлива веществ должно выполняться балансовое соотношение, которое является проверочным при выпол-

Примечание: вданной работе приводится упрощенная схема составления материального баланса, не учитывающая потери

505

топлива от химической неполноты сгорания и выбросы загрязняющих веществ вследствие этого процесса (СО, формальдегида, бенз(а)пирена и др.).

Результаты расчетов занести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 Результаты расчетов

3. По результатам расчетов дать экологическую оценку воздействия на окружающую среду загрязняющих веществ при сжигании различных видов топлива.

506

507

Контрольные вопросы

1.Характеристика топливно-энергетических ресурсов Республики Беларусь.

2.Назовите основные теплотехнические характеристики топ-

лива.

3.Влияние сжигания различных видов топлива на окружающую среду.

4.Основные мероприятия по уменьшению отрицательного воздействия на окружающую среду выбросов, образующихся при сжигании топлива.

508