Экологические аспекты энергетики и энергосбережения
Современные ТЭС оказывают большое влияние на окружающую среду. К обеспечению их работы привлекаются значительные природные ресурсы (топливо, вода, реагенты, строительные материалы). Через технологические (топливоснабжение) и естественные (сток рек, воздушные течения, подземная фильтрация) связи их влияние передается на значительные расстояния и должно быть учтено, локализовано и максимально нейтрализовано.
Размеры площадок ТЭС достигают 3--4 км 2. На этой территории полностью изменяются рельеф местности, характеристики и распределение воздушных течений и поверхностного стока, нарушаются почвенный слой, растительный покров, режим грунтовых вод. Эти изменения, а также производственные шумы и освещенность в ночное время приводят к нарушению экологического равновесия.
Выброс больших масс теплоты и влаги крупными градирнями вызывает снижение солнечной освещенности, образование низкой облачности и туманов, моросящих дождей, инея, гололеда, обледенения дорог и конструкций. В теплое время года в результате испарения капель, достигших земли, возможно засоление почв.
Создание водохранилищ-охладителей для мощных электростанций с поверхностью 20--30 км2 приводит к перераспределению стока, изменению режима паводков, разливов, восполнения запасов грунтовых вод, условий разведения рыбы.
Сточные воды и ливневые стоки с территории ТЭС загрязняются отходами технологических циклов энергоустановок (нефтепродукты, шлаки, обмывочные воды). Их сброс в водоемы может оказаться гибельным для водных организмов, снижает способность водоема к самоочищению.
Отрицательное влияние на природные условия оказывают золоотвалы -- земля исключается из сельскохозяйственного оборота. Пыление золоотвалов приводит к гибели растений.
В технологических циклах электростанций более 95 % охлаждающей воды нагревается на 9-10 оС, в водоемы сбрасывается большое количество теплоты, которая нарушает естественные условия существования экологических систем.
Газопылевые выбросы ТЭС загрязняют атмосферу углекислотой, золой, оксидами азота, сернистой и серной кислотой, что вызывает коррозию сооружений и оборудования, уменьшает солнечное облучение территории.
Среди основных путей охраны окружающей среды от вредного воздействия ТЭС следует отметить применение природосберегающих технологий при генерации энергии. К их числу относятся технологии, которые увеличивают коэффициент использования топлива (ТЭЦ вместо КЭС, АЭС вместо ТЭС на органическом топливе) и соответственно уменьшают количество прямых (зола, шлак) и вторичных (обмывочные воды) загрязнений. К ним относятся различные способы деструктивной переработки топлив (получение метанола, синтез-газа, водорода и т.д.), позволяющие более полно произвести выделение потенциальных загрязнителей (серы) на ранних стадиях использования топлива. Сюда же относится применение замкнутых технологических циклов: полное использование золы ТЭС, получение из дымовых газов азота и технической серной кислоты, улавливание и последующее сжигание нефтемаслопродуктов из отходящих вод.
Эти методы относятся к активным способам защиты окружающей среды.
Пассивные способы предусматривают применение устройств, улавливающих загрязнения на конечных стадиях технологического процесса (золоуловители, очистные сооружения) или способствующие их разбавлению до концентраций, меньших предельно допустимых (высокие дымовые трубы, шумопоглотители).
Горение - это химический процесс взаимодействия вещества с окислителем, сопровождающийся интенсивным выделением тепла.
Продуктами полного сгорания топлива являются углекислый газ СО2, сернистый газ SO2 и водяные пары H2O.
При взаимодействии углерода с кислородом имеем
С+ О2 = СО2;
12 кг С+ 32 кг О 2 = 44 кг СО2.
В реальных условиях работы котлов в дымовых газах может оставаться некоторое количество продуктов неполного горения - окись углерода СО, водород H2, метан СН4, а также канцерогенные вещества.
При неполном сжигании углерода
2 С + О2 = 2 СО;
24 кг С + 32кг О2 = 56 кг СО.
При горении водорода
2 Н2 + О2 = 2 H2O;
4 кг Н2 + 32 кг О2 = 36 кг H2O.
При горении органической серы
S + O2 = SO2;
32 кг S + 32 кг O2 = 64 кг SO2.
При горении колчеданной серы
2 Fe S 2 + 5,5 O2 = Fe2O3+4 SO2;
240 кг Fe S 2 + 176 кг O2= 160 кг Fe2O3 + 256 кг SO2.
При полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м3 газообразного топлива в образующихся газообразных продуктах должны содержаться лишь продукты полного сгорания горючих элементов - СО2, SO2, H2O, азот N2. СО2 и SO2 называют трехатомными газами.
В топочных газах содержатся частицы несгоревшего топлива.
Состав продуктов сгорания топлива определяется с помощью газоанализаторов, для определения содержания в дымовых газах продуктов неполного горения используются хроматографы.
Очистка от сернистых соединений
При содержании SO2 0,2-0,3 мг/м3 нарушаются фотосинтез и дыхание растений. При 20 мг/м3 наблюдается заметное раздражение органов дыхания человека. Сернистый ангидрид, соединяясь с водяными парами, образует серную кислоту, которая помимо вредного биологического действия вызывает интенсивную коррозию металлических конструкций.
Способы предотвращения выброса оксидов серы с дымовыми газами заключается в предварительной очистке топлива от серы до его сжигания и очистке продуктов сгорания в самом процессе горения или после охлаждения дымовых газов за котлом.
Очистка топлива ведется в нескольких направлениях. Одно из них - растворение в жидких углеводородистых соединениях горючих составляющих твердого топлива с последующей отгонкой растворителя. Образуется остаток - вязкое вещество, свободное от золы и очищенное от серы. Его можно сжигать как мазут в форсунках в горячем виде следующими способами:
- газификация угля с отделением серы в газовой фракции;
- отделение сернистых соединений из нефти в процессе переработки на легкие топлива и мазут.
Все эти способы технически разработаны, но стоимость очищенного от серы топлива примерно вдвое удорожает выработку электроэнергии на его основе.
Дымовые газы от оксидов серы очищаются скрубберным способом, в котором обеспечивается контакт газов с пленкой жидкости, содержащей щелочные добавки, что приводит к нейтрализации и улавливанию окислов серы. Здесь сложность состоит в поддержании режима из-за забивания систем сульфатно-кальциевыми отложениями (загипсовывание емкостей, трубопроводов, арматуры).
Перспективным способом борьбы с сернистыми отложениями можно считать сжигание топлива в кипящем (псевдоожиженном) слое с введением в него щелочных веществ - известняка, доломита.
Технологически наиболее простым способом борьбы с вредными выбросами является строительство высоких дымовых труб, обеспечивающих рассеяние вредных примесей на большие площади и снижение концентраций до допустимых пределов.
Кроме того, при горении топлива образуются окислы азота при высоких температурах.
Температура, К |
300 |
800 |
1800 |
СNO, мг/м3 |
0,00127 |
2,54 |
4700 |
Я.Б. Зельдович разработал цепную схему окисления азота (образование термических оксидов азота), в которой активную роль играют свободные атомы кислорода и азота:
1) О 2 + М ® О + О + М - 494 кДж/моль;
2) О + N2® N О+ N - 314 кДж/моль;
3) N+ О 2® N О+ О + 134 кДж/моль;
4) О + О + М® О 2 + М +494 кДж/моль,
где М - любая молекула.
Считается, что атомарный кислород находится в термическом равновесии с молекулярным.
Во фронте пламени происходит быстрое образование оксида азота (быстрые оксиды азота) - явление, органически связанное с горением и присущее пламени углеводородов и углеродосодержащих топлив.Механизм их образования предложен С .Фенимором:
СН + N2 = НС N + N;
С2+ N2 = 2 С N,
который затем ведет к образованию оксидов азота. Задача снижения быстрых оксидов азота пока не решена.
Азотсодержащие соединения, входящие в состав топлив, также являются источником образования оксидов азота уже при температурах 900-1000 К.
Механизм образования топливных оксидов азота связывается с наличием радикалов N С N, С N, NН, NН2, и ОН в зоне горения азотсодержащих топлив.
Уровень выбросов оксидов азота для различных топлив
Вид топлива |
Относительные выбросы |
Сырая нефть Дизельное топливо Водород Метан Этанол Метанол Природные газы Остаточные нефтепродукты |
0,8-2,0 0,8-1,3 1,05 0,65 0,65 0,25 0,25-0,75 1,0-2,5 |
Относительные выбросы - это отношение выбросов NО для данного топлива к выбросам при сжигании эталонного бестопливного азота.
Образование топливных оксидов азота происходит на начальном участке факела, в области образования быстрых NО и до образования термических NО. Выход топливных оксидов слабо зависит от температуры процесса и нарастает с увеличением коэффициента избытка воздуха.
Образование диоксида азота.
Из двух наиболее вероятных окислителей NО в NО2 - атомарный кислород О и пероксидный радикал НО2 - практическое значение имеет НО2.
NО + НО2 ®NО2+ОН.
Процесс окисления лимитируется только количеством НО2, т.к. концентрация NО значительно выше, чем радикалов НО2.
Известны реакции, порождающие радикал НО2.
При Т меньше 800-900 К
Н + О2 + М ® НО2 +М.
При температурах сжигания природного газа
СНО + О2® СО + НО2.
В котлах энергоблоков 200 и 300 МВт отношение содержания диоксида азота NО2 к общему содержанию оксидов азота NОх составляет от 1 до 5, для котла мощностью 3,3 МВт оно достигает 4-8, для котла мощностью 0,85 МВт возрастает до 25-45.
Снижение образования оксидов азота заключается прежде всего в уменьшении или ликвидации термических NОх, а также в сокращении топливных NОх.
Уменьшение термических оксидов азота достигается путем воздействия главным образом на максимальную температуру горения. Это обеспечивается организацией топочного процесса - вводом газов рециркуляции, воды, пара в зону горения или в дутьевой воздух, а также двухстадийным сжиганием топлива, снижающим максимальную температуру и содержание кислорода в зоне максимальных температур. Выход топливных оксидов азота в меньшей мере зависит от максимальной температуры, но сильно зависит от избытка воздуха. Поэтому здесь более эффективной является организация двухстадийного горения.
При сжигании природного газа возможно полностью ликвидировать термические оксиды азота, приблизив их к уровню быстрых NОх - к 100-120 мг/м3.
Одним из наиболее распространенных и наиболее хорошо изученных методов снижения количества образующихся оксидов азота является рециркуляция продуктов сгорания в зону горения, что позволяет регулировать теплоотдачу к топочным экранам (трубам, расположенным в топке, по которым движется вода, превращаясь в пар) и температуру перегрева пара.
Снижение максимальной температуры в топочной камере, а следовательно, и концентрации оксидов азота можно обеспечить увеличением теплоотвода (изменение конструкции топки котла).