Паровые котлы ТЭС

Токсичные вещества в дымовых газах и меры защиты внешней среды

Тепловые электростанции, потребляя око­ло 40% добываемого в мире топлива, оказы­вают существенное влияние на окружающую среду. Это воздействие ТЭС определяется как тепловыми потерями в атмосферу и водную среду, так и выбросом ряда вредных загряз­нений. В интересах настоящего и будущих по­колений в СССР проводится систематическая работа по обеспечению мер защиты внешней среды от вредных выбросов промышленных установок.

В газообразных выбросах электростанций безопасными составляющими для человека являются водяные пары, углекислый газ, кис­лород и азот. Остальные ингредиенты в той или иной мере являются вредными.

Тепловые электростанции и районные ко­тельные загрязняют атмосферу за счет выбро­са окислов азота (N0x=N0+N02), окислов серы (SO2 + SO3), твердых золовых частиц и пятиокиси ванадия V205. Кроме того, при не­полном сгорании топлива в дымовых газах могут находиться окись углерода СО, углево­дороды типа СН4, С2Н4, бенз(а)пирен C2oHi2, сажа. Время существования газообразных вредных веществ в окружающей среде состав­ляет от нескольких часов до нескольких суток. Многие из них постепенно разрушаются или преобразуются в безвредные под действием солнечной радиации и наличия кислорода в воздухе. Аэрозольные твердые частицы (са­жа, пятиокись ванадия, бенз(а)пирен), оседая на поверхности земли, могут накапливаться и участвуют в приземной циркуляции атмо­сферы.

По степени воздействия на организм чело­века вредные вещества разделяются на не­сколько классов. К чрезвычайно опасным ве­ществам относятся пятиокись ванадия и бенз(а)пирен. Первое соединение образуется в небольших количествах при сжигании мазу­та. Бенз(а)пирен может появиться в дымовых газах при сжигании любого топлива с недо­статком кислорода. Он также выделяется при медленном разложении сажи. Высокоопасны­ми являются двуокись азота N02 и серный ангидрид S03. Окислы азота N0* образуются в основном в зоне наиболее высоких темпера­тур факела. Выход N02 составляет около 10% NO. c. Сера топлива сгорает в основном до сер­нистого ангидрида SOo, относимого по степени вредного воздействия на человека, как и окись азота N0, к третьему классу (умеренно опас­ные вещества). Серный ангидрид so3 образу­ется в топках на конечном этапе горения фа­кела из S02 при избытке атомарного кислоро­да и дополнительно за счет катализа на высокотемпературных отложениях паропере­гревателя. Его выход составляет около 2—5% S02. В зоне низкотемпературных поверхностей so3 преобразуется в пары серной кислоты и частично расходуется в процессе низкотемпе­ратурной коррозии (см. гл. 16).

Степень опасности воздействия того или иного вещества иа живой организм опреде­ляют через отношение действительной концен­трации вещества С, мг/м3, к предельно допу­стимой концентрации (ПДК), мг/м3, в воздухе на уровне дыхания. Это отношение

Ki=Ci/UJlKi (5.23)

Называется токсичной кратностью данного і-го вещества. Оно должно быть меньше еди­ницы.

При одновременном содержании в воздухе нескольких вредных веществ однонаправлен­ного действия, т. е. близких по характеру био­логического воздействия на живой организм, происходит усиление отравляющего воздейст­вия, в связи с чем недопустимо присутствие таких веществ в воздухе при концентрациях, близких к ПДК. В этом случае степень опас­ности оценивают, исходя из принципа сложе­ния токсичных кратностей. Для дымовых га­зов принцип сложения применяют к следую­щим веществам: N02, NO, S02, S03, СО. Тог­да формула сложения вредных выбросов будет иметь вид:

Cn0. j cno, ^so, ■ cs0, . cco ^ 1 ПДКН0+ ткт ПДКзо, ' ПДК30з + ПДКсо ^ '

(5.24)

Часто к этому сочетанию добавляют еще бенз(а)пирен. Для выбросов твердых частиц формула сложения следующая:

Где индексы «зл», «с» определяют золовые и сажистые частицы.

В табл. 5.1 приведены данные о предельно допустимых концентрациях некоторых ве­ществ.

Таблица 5.1

Электростанции выбрасывают около 3/4 общего ко­личества окислов серы, поступающих в атмосферу. Ра­стущее промышленное использование сернистых мазу­тов и твердых топлив ставит в качестве неотложной задачи сокращение общего вьчіроса окислов серы. В си­лу низкой объемной концентрации окислов серы в ды­мовых газах (около 0,2%) и огромных расходных объ­емов последних очистка газол от S02 представляется весьма трудной задачей. Более перспективной является очистка нефти от соы на К'фтелерерабатызающих за­водах либо глубокая термическая переработка мазута или сернистого твердого топлива перед сжиганием с получением горючего газа и пенных жидких про­дуктов. Образующиеся сернистые соединения при этом значительно легче выделить и уловить. Эти методы переработки топлива называют энерготехнологнческим использованием топлива, они сейчас получают раз­витие.

Удаление NOi из дымовых газов связано с пре­одолением еще больших технических трудностей по сравнению с удалением S02. Это определяется более низкой концентрацией N0X в газах (в 2—5 раз мень­ше) и меньшей химической активностью окиси азот»

КО, количество которой преобладает над NO2 в дымо­вых газах. Выбросы окислов азота тепловыми электро­станциями составляют около 40% общего их поступ­ления в атмосферу [74].

В отличие от газа SO2, выбросы которого из котлов относятся к неуправляемому про­цессу и зависят только от содержания серы в топливе, концентрация окислов азота в ды­мовых газах в решающей степени определяет­ся организацией топочного процесса. Окислы азота образуются главным образом за счет азота и кислорода воздуха в высокотемпера­турной области горения (при температурах более 1600°С) и в результате окисления соб­ственного азота топлива (эта реакция проте­кает при температурах ниже 1600°С). Таким образом, главными факторами уменьшения об­разования N0* в топках являются снижение температурного уровня в зоне горения («низ­котемпературное» горение) и уменьшение из­бытка воздуха. При этом следует помнить, что оба эти фактора в условиях неналаженной работы топки и горелок могут привести к об­разованию других не менее вредных веществ [например, сажи и бенз(а)пирена].

Выброс золовых частиц электростанциями составляет около 20% общего загрязнения атмосферы твердыми пылевыми частицами. С увеличением мощности тепловых электро­станций и доли сжигания на них твердых топ­лив выбросы твердых фракций могут воз­расти. В связи с этим актуальной становится задача глубокого улавливания золовых ча­стиц перед удалением дымовых газов в атмо­сферу. В летучей золе после сжигания твер­дых топлив находится ряд вредных компонен­тов, таких как соединения, содержащие фтор и мышьяк, окислы БЮг, СаО. Улавливание золовых частиц на ТЭС чаще всего произво­дится электрофильтрами. Для многих топлив, обладающих повышенным содержанием золо - вого остатка, степень очистки газов от золы должна быть не ниже 99%.

Пока не созданы эффективные промышлен­ные установки для глубокого удаления вред­ных примесей из топлива (облагораживания топлива) или улавливания вредных веществ из дымовых газов, одним из способов сниже­ния концентрации токсичных веществ в при­земной зоне является применение высоких дымовых труб (высотой до 320 м), развеиваю­щих дымовые газы на большие расстояния. При этом с увеличением высоты дымовой тру­бы концентрация вредных примесей у поверх­ности земли снижается обратно пропорцио­нально квадрату отношения высот труб. По­вышение высоты дымовых труб не является радикальным средством защиты окружающей среды от промышленных выбросов. Эта мера обеспечивает только местное снижение кон­центраций вредных веществ в приземном слое атмосферы.