Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Обеспечение экологической безопасности при эксплуатации котельных городского хозяйства. Монография
.pdf
лошлаки могут содержать примеси различных микроэлементов (никель
67,6
32,6
6
5,6
21,2
6
50,4
1,8
54,9
5,9
0
56,8
12,9
49
24
37,7
37,7
30,1
37,7
2,16
2,23
1,25
2,46
2,57
0,78
2,61
Природный газ (на 100 куб. м)
Уголь
Торф
Мазут высокосернистый
Мазут малосернистый
Дрова
Печное бытовое топливо
Твердые частицы Оксиды серы Оксиды азота Оксид углерода
Ni, кобальт Co, кадмий Cd, свинец Pb, сурьма Sb, хром Cr, марганец Mn,
мышьяк As, ртуть Hg и др.).
Тем не менее основная масса ЗВ от котельных поступает в атмосферу с отходящими газами [40, 44, 48]. При полном сгорании органического топлива в атмосферу поступают диоксид углерода и пары воды,
при неполном, в зависимости от вида и способа сжигания топлива, к
ним могут добавляться твердые частицы золы и сажи, оксиды серы, углерода, азота, тяжелые металлы, галогениды (соединения фтора, хлора
и т.п.), летучие органические соединения (ЛОС), диоксины, фураны и
другие загрязняющие вещества.
Состав отходящих газов и количество выбрасываемых ЗВ существенно зависит от вида сжигаемого топлива (рис. 1.3) [48, 85]. Так,
например, при сжигании природного газа основными ЗВ являются оксиды азота (монооксид азота и диоксид азота), оксиды углерода (монооксид углерода и диоксид углерода) и бенз(а)пирен. Токсичность отходящих газов связaнa, в первую очередь, с оксидaми aзота, содержание
бенз(a)пиренa незначительно.
Рис. 1.3. Удельные показатели (кг/т, кг/тыс. м3) выделения основных ЗВ
с отходящими газами котельных
11
При сжигании жидкого топлива к вышеперечисленным веществам
добавляются оксиды серы и зола.
При сжигании твердого топлива, помимо вышеперечисленных ЗВ,
выделяется значительное количество твердых частиц, состоящих из золовых частиц (летучая зола), несгоревшего твердого топлива и сажи,
причем основную долю составляют золовые частицы.
Бенз(а)пирен также содержится в составе жидкого и твердого топлива. Поэтому возможен его переход из топлива в продукты сгорания
вместе с невыгоревшими сажистыми и коксовыми частицами.
Далее авторами проанализированы причины образования основных ЗВ, поступающих в воздушный бассейн городских территорий от
котельных, а также их влияние на здоровье человека и состояние компонентов окружающей среды.
Загрязнение воздушного бассейна городских территорий выбросами оксидов серы от котельных происходит из-за присутствия серы в
органическом топливе [48, 85, 102]. Топливо содержит серу в виде неорганических сульфидов или органических соединений. Среди оксидов
серы, образующихся в процессе сжигания, преобладает диоксид серы
(SO2). Диоксид серы (сернистый ангидрид) – бесцветный, со специфи-
ческим неприятным запахом газ, поражающий преимущественно органы дыхания. При вдыхании воздуха, загрязненного диоксидом серы,
поражается пищевой канал, нарушаются окислительно-восстановительные процессы, угнетается ферментативная активность, снижается иммунобиологическая реактивность организма и наблюдаются нарушения
со стороны высшей нервной деятельности. Диоксид серы негативно
влияет на зеленые насаждения, особенно чувствительны к нему хвойные и фруктовые деревья. Этот газ может также вызывать коррозию металлических покрытий (крыш, памятников) [110, 112, 114].
При сжигании твердого и жидкого видов органического топлива 13% серы также окисляется до триоксида серы (SO3) при наличии в топливе переходных металлов, катализирующих реакцию. Триоксид серы
адсорбируется соединениями, входящими в состав твердых частиц, и
в случае жидкого топлива участвует в формировании кислой сажи.
Принято считать [48, 85], что природный газ не содержит серы.
Из оксидов азота, образующихся при сжигании органических видов топлива на котельных, основными являются монооксид азота NO и
диоксид азота NO2 (их смесь – NOx – составляет более 90% всех выбросов оксидов азота) [50, 99, 101, 109]. Оксиды азота образуются в резуль-
12
тате реакции между кислородом и азотом воздуха («термические »
NOx), формируются из азота, содержащегося в топливе («топливные»
NOx) или в результате преобразования молекулярного азота во фронте
пламени в присутствии промежуточных углеводородных соединений
(«быстрые» NOx).
Оксиды азота в ряду загрязнителей атмосферного воздуха занимают особое место. При попадании в атмосферу оксид азота NO в результате фотохимических реакций переходит в диоксид азота NO2.
Оксид азота – бесцветный газ. При вдыхании человек может его не
почувствовать, так как не происходит раздражение дыхательных путей,
однако, попадая в кровь, он связывается с гемоглобином, вызывая кислородное голодание тканей и органов [32, 110, 112, 114].
Диоксид азота – бурый газ с характерным неприятным острым запахом. Он сильно раздражает слизистые оболочки дыхательных путей.
Попадая в организм человека, диоксид азота взаимодействует с влагой с
образованием азотной и азотистой кислоты, которые разъедают стенки
альвеол легких. Даже небольшие концентрации диоксида азота вызывают кашель, нарушение дыхания, увеличивают число детей с учащенным дыханием и больных бронхитом [32, 110, 112, 114].
Под воздействием солнечной радиации оксид и диоксид азота
участвуют в фотохимических процессах, происходящих в тропосфере и
стратосфере. На растения оксиды азота могут воздействовать непосредственно, вызывая пожелтение или побурение листьев и игл в результате
окисления хлорофилла, через кислотные осадки и косвенно, участвуя в
фотохимических реакциях образования таких сильных окислителей, как
озон и пероксиацетилнитрат (ПАН). Озон и ПАН, в свою очередь, также влияют на процесс фотосинтеза растений, их рост и развитие. Негативное воздействие оксидов азота в атмосфере усиливается в присутствии диоксида серы, так как эти вещества обладают синергизмом [93,
110, 112, 114].
Наличие оксида углерода СО в выбросах от работы котельных незначительно. Образование СО при сжигании твердого топлива происходит при выгорании летучих веществ и при горении кокса. Оксид углерода не имеет цвета и запаха, не раздражает слизистую оболочку, что
усиливает опасность отравления им. Обладая повышенным сродством к
гемоглобину крови, оксид углерода связывает его, образуя карбоксигемоглобин, вследствие чего в тканях развивается кислородное голодание. Особенно чувствительны к кислородному голоданию клетки нервной системы. Оксид углерода легче воздуха, поэтому значительная
13
часть его уносится в верхние слои воздуха и приземный слой атмосферы загрязняется сравнительно мало.
Сжигание органического топлива приводит к появлению диоксида
углерода – газа без цвета и запаха, который является одним из основных
парниковых газов и способствует развитию парникового эффекта. Диоксид углерода является основным продуктом реакции горения всех видов органического топлива. Количество выбрасываемого диоксида углерода связано с содержанием углерода в исходном органическом топливе, причем при сжигании газообразного топлива в воздушный бассейн выделяется значительно меньшие СО2, чем при сжигании твердого
и жидкого топлива [32, 110, 112, 114].
Другими парниковыми газами, образующимися при работе котельных, являются метан (СН4) и закись азота (N2O). Парниковая активность этих газов гораздо выше, чем у диоксида углерода, однако содержание в отходящих газах незначительно.
Твердые частицы, выбрасываемые через дымовую трубу котельной, состоят из золовых частиц, несгоревшего топлива и сажи, причем
основную долю составляют золовые частицы.
Летучая зола на 55-77% состоит из твердых частиц размером
до 5 мкм, при этом ее количество зависит от зольности исходного органического топлива. Зола включает в себя 42-49% оксида кремния (IV),
23-37% алюмосиликата, 9,8-16% соединений железа, кальция, магния.
В летучей золе содержатся значительные количества радиоактивных
примесей. Частицы золы способны глубоко проникать в легкие и являться причиной возникновения силикоза. Зола, обладая удовлетворительными аутогезионными свойствами, в большинстве случаев образует
агрегаты. Наличие золовых частиц приводит к повреждению поверхностей нагрева котла, так как зола обладает абразивными свойствами.
Оседая на площади поверхности нагрева котла, зола снижает теплопередачу от газов к стенке котла, уменьшая тем самым КПД котла [32,
110, 112, 114].
Коксовые и сажевые частицы – это продукты недожога, в состав
которых входит 98% углерода, остальное составляет водород, входящий
в состав сажи или сопутствующих ей сложных углеводородов. Хотя частицы сажи составляют менее 10% общей массы загрязнителей атмосферы от котельной, ущерб от данного вида загрязнителей существенен. Сажистые частицы могут вызвать поражение легких. Сажа сама по
себе не обладает токсичностью, но из-за наличия в ней смолистых веществ (бенз(а)пирена) приобретает свойства канцерогена, длительное
воздействие которого может способствовать развитию рака легких
[32, 110, 112, 114].
14
Присутствие сажи в воздушном бассейне городских территорий
способствует ускорению химических и фотохимических реакций, снижает прозрачность воздуха, увеличивает количество осадков, туманов,
влияет на почву и растительность.
Образующиеся в процессе сжигания топлива в топке основные ЗВ
(NO, NO2, SO2, CO, СО2, твердые частицы – зола, сажа) сами по себе не
наносят значительного вреда окружающей среде (ОС). Гораздо больший ущерб ОС наносят продукты их химического и фотохимического
превращения в атмосфере. В результате таких трансформаций образуются вещества во много раз более токсичные и опасные. Так, при взаимодействии оксидов серы с парами воды в облаках образуется серная и
сернистая кислоты, которые с осадками падают на землю (кислотные
дожди). Аналогичным образом из оксидов азота образуется азотная и
азотистая кислота. Диоксид серы SO2 активно взаимодействует в атмосфере с оксидами азота NOx, образуя токсичные комплексы, действие
которых значительно сильнее, чем отдельных их компонентов, активно
участвует в образовании фотохимического смога.
Загрязнение компонентов окружающей среды выбросами тяжелых
металлов (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Se, Zn, V) от котельных является
результатом их естественного присутствия в органических видах сжигаемого топлива. Большинство их выбрасывается в форме соединений
(например, оксиды, хлориды) в составе твердых частиц. Только ртуть
Hg и селен Se частично присутствуют в газообразной фазе. Содержание
тяжелых металлов в угле, как правило, существенно больше, чем в
нефти или в природном газе [48, 85, 93]. Котельные являются также источниками поступления в воздушный бассейн городов хлористого и
фтористого водорода. Выбросы этих ЗВ являются результатом следового присутствия хлора и фтора в органическом топливе (угле и нефти).
В присутствии влаги в воздухе хлористый и фтористый водород преобразуются в аэрозоли соляной и фтористоводородной (плавиковой) кислоты соответственно [108].
1.3. Распространение загрязняющих веществ,
содержащихся в отходящих газах котельных,
в воздушном бассейне городских территорий
По данным Росстата [78] и отчетности Минэнерго [69, 115], производство 74% тепловой энергии в России приходится на централизованные источники теплоснабжения, остальные 26% – на децентрализованные, при этом основными источниками тепла в системе централизо-
15
ванного теплоснабжения (ЦТ) городов являются котельные различных
29%
11%
1%
54%
5%
ТЭС (тепло пара, отработанного
в турбинах ТЭС, когенерация)
Котельные ТЭС
Электробойлеры
Котельные ЖКХ
Теплоутилизирующие установки
72%
27%
1% 0,4%
76%
14%
7%
3%
Природный газ
Уголь
Нефть
Прочие
форм собственности и теплофикационные энергоблоки на теплоэлектростанциях (ТЭЦ, как правило, в составе генерирующих компаний)
(рис. 1.4).
Рис. 1.4. Структура производства тепла
в системах централизованного теплоснабжения
по видам источников тепла
а) б)
Рис. 1.5. Потребление топлива (по теплоте сгорания)
в системах централизованного теплоснабжения: а – ТЭЦ; б – котельные
Данные Минэнерго [69, 115] позволяют сделать вывод о том, что
потребление различных видов органического топлива ТЭЦ (рис. 1.5, а)
и котельными (рис. 1.5, б) значительно отличается, а следовательно, отличается и степень их воздействия на компоненты окружающей
среды.
16
Загрязняющие вещества, образующиеся при сжигании различных
видов органического топлива на котельных и ТЭЦ, поступают в
воздушный бассейн городов через дымовые трубы. Известно [100], что
высота дымовых труб централизованных энергоснабжающих предприятий колеблется от 30–40 м (для стальных труб временных установок)
до 30–70 м (для кирпичных труб котельных установок средней и большой мощности) и 80–300 м (для железобетонных труб) и зависит от
часового расхода топлива, содержания серы и зольности и ряда других
показателей.
Дымовые трубы котельных относят к высоким источникам, так
как выбрасываемые ими вещества не загрязняют циркуляционные зоны
над и за зданиями, расположенными около трубы [66, 85, 90, 100]. Для
высоких источников влияние деформации потока ветра, вызванной
присутствием зданий и сооружений, на распространение ЗВ ничтожно
мало и ею можно пренебречь.
На распространение ЗВ также мало влияет турбулентность потока,
образующаяся при срывах у острых кромок здания.
Характер распространения ЗВ, содержащихся в отходящих газах, в
значительной степени зависит от их агрегатного состояния [10, 12–13,
29–30, 47, 49]. Вместе с тем для твердых частиц такие общие аэродинамические характеристики, как размер, форма и масса, также влияют на
процесс их переноса и седиментации. Распространение в воздушном
бассейне городов газообразных и твердых (диаметром менее 10 мкм)
ЗВ, имеющих незначительную скорость осаждения, подчиняется законам турбулентной диффузии [10, 12–13]. Для более крупных твердых
частиц преобладающим становится влияние силы тяжести, и скорость
их осаждения возрастает.
Распространение ЗВ в воздушном бассейне городских территорий
определяется следующими основными процессами [10, 12–13, 29–30,
47, 49]:
1) конвективным переносом вследствие усредненного движения
воздушных масс в направлении ветра;
2) массовой диффузией, связанной с градиентом концентрации;
3) турбулентной диффузией, рассеивающей ЗВ во всех направ-
лениях.
При этом ЗВ, поступающие в атмосферу с отходящими газами,
подвержены различным изменениям, например захвату каплями облаков и туманов с последующим их вымыванием осадками, вступлению в
17
химические реакции с другими загрязняющими веществами, содержащимися в воздушном бассейне [10, 12–13, 29, 30, 49].
Так, например, диоксид серы, поступая в атмосферный воздух, через некоторое время окисляется до триоксида серы, который либо реагирует с водяными парами с образованием сначала сернистой, а затем
серной кислоты, либо адсорбируется соединениями, входящими в состав твердых частиц, и участвует в образовании кислой сажи, либо
вступает во взаимодействие с другими соединениями, в частности углеводородами, при фотохимических и каталитических реакциях.
Оксид азота, попадая в атмосферный воздух, взаимодействует с
кислородом под действием солнечного света с образованием диоксида
азота. В дальнейшем диоксид азота может участвовать в образовании
фотохимического смога либо в результате реакции с радикалом гидроксила превращаться в азотную кислоту. Полученная таким образом азотная кислота обладает большей летучестью и, в отличие от серной, может долгое время оставаться в газообразном состоянии, так как она
плохо конденсируется. Пары азотной кислоты могут быть поглощены
капельками облаков или осадков или частицами аэрозоля.
Негативное воздействие оксидов азота в атмосфере усиливается
в присутствии диоксида серы, так как эти вещества обладают синергизмом.
Оксид углерода в атмосфере быстро диффундирует и обычно не
создает высокой концентрации. Его интенсивно поглощают почвенные
микроорганизмы; в атмосфере он может окисляться до диоксида углерода при наличии окислителей (например, озона), оксидных соединений
и свободных радикалов.
Что касается твердых (сажистых) частиц, то в воздушном бассейне
они являются поверхностями, на которых адсорбируются газообразные
и жидкие ЗВ. Время нахождения твердых частиц в атмосфере зависит
от их размера. Тонкодисперсные частицы могут пребывать в атмосфере
долгое время (годы) и переноситься на большие расстояния.
На рассеивание ЗВ, содержащихся в отходящих газах котельных, и
их концентрацию в воздушном бассейне городов оказывают влияние
следующие факторы [10, 12–13, 29, 30, 47, 49, 66]:
1) место расположения источника ЗВ и его устья относительно
окружающей застройки;
2) высота источника и диаметр его устья;
18
3) физические и химические свойства выбрасываемых ЗВ;
4) геометрические параметры зданий (высота, ширина, длина);
5) архитектурно-строительные особенности зданий (проемы, при-
стройки, надстройки, галереи, секции разной высоты и т.п.);
6) плотность застройки;
7) расстояние между соседними зданиями;
8) ориентация зданий относительно господствующих ветров;
9) естественный рельеф местности;
10) наличие зеленых насаждений и других препятствий, влияю-
щих на эффективность ветрового потока и пр.
Исследования показывают [29, 30, 47, 49], что такие климатические характеристики, как ветровой режим, температурная стратификация, солнечная радиация, наличие осадков и туманов, существенно влияют на формирование загрязнения воздушного бассейна города.
Так, например, чем больше скорость ветра, тем сильнее он будет искривлять факел выбросов отходящих газов, уменьшая высоту выброса,
однако при этом сильный ветер будет также обеспечивать более интенсивное рассеивание выбросов, обусловленное турбулентной диффузией
[10, 13, 47]. При выбросах через высокие трубы в условиях безветрия
рассеивание ЗВ происходит главным образом под действием вертикальных потоков [29, 30, 49]. На рост концентраций ЗВ существенно
влияет наличие инверсионных слоев. Максимальные концентрации
наблюдаются при штиле и приземной инверсии, а минимальные – при
отсутствии инверсионных слоев, когда создаются условия хорошего перемешивания воздушной массы [10, 12–13, 29, 30, 49]. При неустойчивой стратификации (отрицательная вертикальная разность температур)
максимум загрязнения отмечается при скоростях ветра, близких к опасным. При устойчивой стратификации (положительная вертикальная
разность температур) загрязнение воздуха в городе уменьшается с усилением скорости ветра [10].
Как было отмечено выше, установки централизованных котельных
располагают в пределах городской территории или близко к ней. Однако при этом наблюдается снижение загрязнения воздушного бассейна
города по сравнению с системами автономного отопления каждого дома. Происходит это по ряду причин. Во-первых, высокие дымовые трубы котельных способствуют улучшению рассеивания ЗВ, образующихся при сжигании органического топлива. Во-вторых, значительно сни-
19
зить поступление ЗВ позволяют многоступенчатые системы очистки
отходящих газов. В-третьих, управление процессом горения органического топлива на котельных существенно снижает образование продуктов неполного сгорания и, следовательно, их поступление в воздушный
бассейн городов.
1.4. Разработка физической модели процесса загрязнения
воздушной среды для котельных городского хозяйства
С целью выявления этапов процесса загрязнения воздушной среды
при сжигании различных видов органического топлива по аналогии с
процессом пылевого загрязнения [2, 20, 25] авторами построена физическая модель процесса (ФМП) загрязнения воздушной среды применительно к условиям эксплуатации котлоагрегатов котельных городского
хозяйства (рис. 1.6).
С целью исследования основных направлений изменения устойчи-
вости загрязняющего вещества (загрязняющих веществ) как основного
рассматриваемого объекта на каждом этапе загрязнения были изучены
характеристики объектов, участвующих на различных этапах в процессе загрязнения воздушной среды.
Построенная ФМП загрязнения воздушной среды представляет
собой совокупность последовательных стадий взаимодействия ЗВ с
другими объектами, каждый из которых вступает в это взаимодействие
на конкретной стадии. Загрязняющие вещества, проходя через все стадии процесса, претерпевают качественные и количественные изменения. В модели учтены все этапы технологии. При последовательном
прохождении этих этапов сырье трансформируется в ЗВ.
Технология сжигания органического топлива определяет особенности процесса загрязнения воздушной среды котельными на этапах
образования, выделения ЗВ, а также их распространения в атмосфере.
Известно [20, 21, 25, 63, 68], что в общем случае математически
сущность ФМП загрязнения воздушной среды с учетом возможности
реализации соответствующих зависимых последовательных событий
выражена формулой:
Р
где Р
Р
Р
Р
= Р
загр.
– вероятность процесса загрязнения воздушной среды;
загр.
– вероятность процесса образования ЗВ;
обр.
выд обр.
распр. выд.
– вероятность процесса выделения образовавшихся ЗВ;
– вероятность процесса распространения выделивших-
обр.
· Р
выд обр.
· Р
распр. выд.
, (1)
ся ЗВ.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]