Тепловые электростанции как источник загрязнения атмосферного воздуха

     Нужно сказать, что воздействия ТЭС на окружающую среду значительно отличаются по видам топлива (таблица 2). Наиболее «чистое» топливо для тепловых электростанций – газ, как природный, так и получаемый при переработке нефти или в процессе метанового брожения органических веществ. Наиболее «грязное» топливо – горючие сланцы, торф, бурый уголь. При их сжигании образуется больше всего пылевых частиц и оксидов серы. Хотя в настоящее время значительная доля энергии производится за счет относительно чистых видов топлива (газ, нефть), но закономерной является тенденция уменьшения их доли.

     По  имеющимся прогнозам, эти энергоносители потеряют свое ведущее значение уже  в первой четверти XXI столетия. Здесь  уместно вспомнить высказывание Д. И. Менделеева о недопустимости использования нефти как топлива: «Нефть не топливо - топить можно и ассигнациями». Не исключена вероятность существенного увеличения в мировом энергобалансе использования угля.

     По  имеющимся расчетам, запасы углей  таковы, что они могут обеспечивать мировые потребности в энергии в течение 200-300 лет Возможная добыча углей, с учетом разведанных и прогнозных запасов, оценивается более чем в 7 триллионов тонн. При этом более 1/3 мировых запасов углей находится на территории России. Поэтому закономерно ожидать увеличения доли углей или продуктов их переработки (например, газа) в получении энергии, а, следовательно, и в загрязнении среды. Угли содержат от 0,2 до десятков процентов серы в основном в виде пирита, сульфата закисного железа и гипса. [4] 
 
 

Таблица 2. Степень содержания загрязняющих выбросов для различных видов топлив.

     Уменьшение  выбросов сернистых  соединений в атмосферу.

       Уменьшение  выбросов сернистых соединений в  атмосферу может идти по трем направлениям:

       1) очистка нефтяного топлива от серы на нефтеперерабатывающих заводах;

       2) переработка топлива на ТЭС  до его сжигания с целью  получения малосернистого газа;

       3) очистка дымовых газов от окислов  серы.

       Сера  содержится в нефти в основном в виде сложных соединений. Эти  соединения химически малоактивны и обладают высокой термостабильностью, в связи, с чем их трудно разрушить воздействием кислот или щелочей. Поэтому для выделения серы из топлива до сжигания его либо подвергают воздействию высоких температур, либо этот процесс сочетается с воздействием химических веществ.

       При переработке нефти на нефтеперерабатывающих  заводах в легкие фракции переходит небольшое количество серы, а подавляющая часть сернистых соединений (70 – 90 %) концентрируется в высококипящих фракциях и остаточных продуктах, входящих в состав мазута.

       Удаление серы из нефтяных топлив можно осуществить гидроочисткой. При этом происходит взаимодействие водорода с сераорганическими соединениями и образуется сероводород H₂S, который затем улавливается и может использоваться для получения серы и ее соединений. Процесс протекает при температуре 300 – 450 С° и давлении до 10 МПа в присутствии катализаторов (окислов молибдена, кобальта и никеля).

       Удаление  серы из твердого топлива. Сера в твердом топливе содержится в трех формах: в виде включений колчедана FeS₂ ,серы, входящей в состав молекул органической массы топлива, и сульфатной (в сернокислых солях кальция и щелочных металлов).

       В результате простейшего обогащения угля можно удалить только колчеданную серу, FeS₂, используя большую ее плотность (около 5 т/м³) по сравнению с остальной массой угля (около 2 т/м³). Отделение колчедана дает ощутимый эффект, если колчеданная сера составляет значительную величину от общей серы и вкрапления колчедана достаточно крупны. Так, для бурого подмосковного угля даже при сухом, методе обогащения из угля-дробленки удается удалить 25 – 30 % серы. Отсепарированный колчедан может быть использован для получения серной кислоты. Для отделения от угля колчеданной и органической серы может быть применено гидротермическое обессеривание углей, заключается в обработке измельченного топлива в автоклавах при давлении 1,75 МПа и температуре около 300 °С щелочными растворами, содержащими гидраты окисей натрия и калия. При этом получается уголь с весьма малым содержанием серы, который отделяется от жидкости центрифугированием и затем сушится. Жидкость, содержащая сульфиды натрия и калия, регенерируется в результате обработки углекислотой, а из получающегося при этом сероводорода извлекается элементарная сера.

       Связывание  серы в кипящем  слое. Топливо может сжигаться в кипящем слое частиц размолотого известняка, в которые погружены для интенсивного охлаждения поверхности нагрева котла. Подобный способ сжигания может использоваться для жидкого, твердого и газового топлив, содержащих серу. При температуре около 900 С° происходит диссоциация СаСО₃ на СО₂ и СаО, а в реакцию с серой вступает СаО, образуя в конечном итоге CaS – сульфат кальция. Очистка топлива от серы при этом может составлять около 90 %.

       Часть кипящего слоя, поглотившего серу топлива, подается на регенерацию. При температуре 1000 - 1500 °С под беспровальную решетку подаются продукты сгорания, поддерживающие температуру в слое на уровне 1000 – 1100 °С. При этом протекает реакция:

3CaSO₄+CaS=4SO₂+4CaO.

       Газообразные  продукты содержат до 10 % сернистого ангидрида, который может быть использован для производства серной кислоты. Регенерированная окись кальция возвращается в топочное устройство котла.

       Удаление  серы из жидкого топлива. Снижение сернистости сжигаемого топлива можно осуществить, подвергая его воздействию высоких температур с использованием окислителей (газификация) или без них (пиролиз).

       Пиролиз нефтепродуктов. Один из методов получения бессернистого мазута - предварительный пиролиз нефтяного сырья.

       Метод непостоянно действующей технологии относится к пассивным мероприятиям. Разработкой его занимаются в нескольких странах. Предусматривается сжигание высокосернистого топлива на ТЭС при благоприятных метеорологических условиях. Продукты сгорания рассеиваются через высокие дымовые трубы, что обеспечивает допустимое содержание окислов серы в приземном слое атмосферы. При неблагоприятных метеоусловиях ТЭС оперативно переключается на сжигание малосернистого топлива из резервного запаса или снижает нагрузку.

Снижение  выбросов окислов азота на ТЭС.

         Концентрация окислов азота в  дымовых газах определяется в  основном режимом и организацией топочного процесса при сжигании органических топлив, а также концентрацией кислорода в зоне горения и температурой процесса. Воздействуя на эти параметры, можно регулировать уровни окислов азота, образующихся в топках и камерах сгорания.

       Полученные  результаты исследований по снижению выбросов окислов азота посредством режимно-конструктивных мероприятий можно обобщить следующим образом:

• уменьшением коэффициента избытка воздуха, а до 1,3 (а - коэффициент избытка воздуха) концентрация окислов азота может быть снижена на 25 – 30 % от уровня их содержания в 900 – 1500 мг/м³ при а=1,15 - 1,20;
• снижением температуры газов в зоне горения посредством рециркуляции дымовых газов через горелки (15%) уровень в газах может быть уменьшен на 25 – 30 %;
• существенное снижение может быть достигнуто при двухступенчатом сжигании топлива (в первой ступени, а=0,81, во второй, а=1,025);

       Возможно  удаление окислов азота и из дымовых  газов, но оно не получило применения из-за трудностей, связанных с низкой концентрацией окислов азота в дымовых газах и их чрезмерно высокой химической устойчивости (особенно окиси азота).

       Считается возможной очистка дымовых газов от окислов азота двумя способами:

       1)улавливанием  окислов с последующей переработкой  их в товарную продукцию (азотная кислота, концентраты окислов азота и азотнокислые соли);

       2) разрушением окислов азота до  нетоксичных составляющих.

       В первом способе используется процесс  поглощения и непоглащения, например, щелочное поглощение окислов азота (поглотители Ка₂СО₃, Са (ОН)₂ или растворы аммиака).

       Наиболее  полно абсорбция происходит при  использовании смеси серной и  азотной кислоты.

       Из   абсорбционных   способов   считается   наиболее   перспективной   абсорбция силикагелем. В схеме с силикагелем побочными продуктами могут быть азотная кислота и концентраты окислов азота. Исследуется метод каталитического разложения окислов азота, применяемый для очистки газов в производстве азотной кислоты. 

Снижение  выбросов твердых  частиц на ТЭС.

       На  угольных ТЭС для улавливания  твердых частиц из дымовых газов  применяются золоуловители различных типов. На некоторых мазутных ТЭС также применяются золоуловители, очищающие газы от недожога и сажи, особенно в период обдувки котлоагрегатов.

       Основные  типы золоуловителей: инерционные сухие  или мокрые; тканевые фильтры; электрофильтры; комбинированные устройства.

     Сухие золоуловители – это устройства, в которых частицы пыли отделяются от газа с помощью механической силы. Они применяются в качестве первой ступени очистки газов перед более эффективными золоуловителями.

     В мокрых золоуловителях частицы пыли отделяются от газа с помощью промывки той или иной жидкостью, преимущественно водой.

       Тканевые  фильтры пока не нашли широкого применения на мощных ТЭС. С появлением высокопрочных синтетических и минеральных волокон тканевые фильтры начинают более широко применяться в некоторых странах. В США имеется около 30 установок рукавных фильтров на блоках мощностью до 460 МВт. Эти фильтры выполняются из стекловолокна, полиэфира, стекловолокна с графитом при температуре газов до 200 °С. Основной недостаток тканевых золоуловителей - большие габариты и малый срок службы.

       Электрофильтры. В СНГ на ТЭС наиболее распространены электрофильтры. Параметры электрофильтров связаны с уровнем, в которое входят: коэффициент захвата (меньше единицы), площадь осудительного электрода, расход дымовых газов, скорость дрейфа частиц золы, удельная поверхность осаждения.

       Зола  удаляется в бункер периодическим  встряхиванием электродов. Дымовые газы охлаждаются в электрофильтрах примерно на 8 °С, что снижает к.п.д. энергоблока на 0,4%. В случае большой зольности угля (у экибастузских углей > 45%) потери с физическим теплом золы могут достигать 1 %.

       Снижение  удельного электрического сопротивления  достигается кондиционированием дымовых  газов. В качестве кондиционитов в опытах применялась вода, а также сернистый ангидрид, аммиак и другие соединения.

       Комбинированные золоуловители. При высокой зольности топлива или при неблагоприятных электрофизических свойствах золы применяются комбинации электрофильтров с предвключенными батарейными циклонами или с мокрыми инерционными уловителями (скрубберами). В первой ступени улавливается часть золы. Снижение температуры газов и кондиционирование их водой повышает к.п.д. электрофильтра. Предвключенный золоуловитель уменьшает габариты электрофильтра, позволяя уменьшить высоту электродов или число камер (до 2 – 3).

       Пыление золоотвалов ТЭС  и его уменьшения. Кроме  летучей золы, выбрасываемой из дымовых, труб, локальное загрязнение приземных слоев атмосферы твердыми частицами происходит от пыления золоотвалов ТЭС. Для устранения этого источника загрязнения заполненные золоотвалы покрываются грунтом с посевом трав и посадкой кустарников. В период эксплуатации золоотвалов, пылящие пляжи заполняются путем повышения уровня воды. Ведутся опыты по поливу пылящих пляжей водой или закрепляющим составом, распыляемым с вертолетов. Это создает защитный слой (долговечностью до двух лет), устойчивый к ветровой эрозии и осадкам. Закрепляющим материалом служит жидкое стекло, полимерные материалы (гидролизованный   полиакрилонитрил).