Загрязнение и очистка воздуха от тепловых электростанций

Загрязнение и очистка воздуха от тепловых электростанций

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВПО САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Гагарина Ю.А.

ЭНГЕЛЬССКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (филиал)

Кафедра «Экологии и охраны окружающей среды»

Расчетно-графическая работа

На тему: «Загрязнение и очистка воздуха от тепловых электростанций»

2014 г.

Данные для расчетно-графической работы

Производство - тепловая электростанция

Выбрасываемые вещества - диоксид серы

Высота трубы, Н, м - 150

Диаметр трубы, D, м - 5

Скорость выхода ГВС, W, м/с - 8

Температура выброса, Т, ˚С - 123

Масса выброса, М, т/ч - 10

Скорость ветра, Vветра, м/с - 8

Основные экологические проблемы на предприятиях теплоэнергетики

Промышленное производство электрической и тепловой энергии сопровождается крупномасштабным материальным и энергетическим обменом с окружающей средой, имеющим своим следствием отрицательное воздействие на нее и, следовательно, вызывающим необходимость ее защиты.

В настоящее время именно тепловой энергетике принадлежит определяющая роль в производстве электроэнергии во всем мире.

Для оценки экологичности теплоэнергетики важное значение имеет структура топливного баланса ТЭС. В топливном балансе ТЭС во всем мире в целом доминирующее положение занимает уголь.

С экологической точки зрения ТЭС представляют собой непрерывно действующие уже в течение десятков лет источники выбросов в атмосферу продуктов сгорания топлива и сбросов в водоемы большого количества низкопотенциального тепла.

Рассматривая воздействие ТЭС на атмосферу, растительный и животный мир, имеют в виду, прежде всего, выбросы тех веществ, на которые установлены ПДК в воздухе населенных мест. При сжигании природного газа это оксиды азота (NO, NO2), оксид углерода (СО) и бенз(а)пирен (С20Н12), причем токсичность уходящих газов связана практически только с оксидами азота, так как концентрация бенз(а)пирена ничтожно мала. Образование оксида углерода при сжигании природного газа и мазута минимизируется путем рациональной организации топочного режима. При сжигании твердого и жидкого топлива добавляются оксиды серы (SO2, SO3) и зола.

Сегодня структура топливного баланса следующая: природный газ - 63% потребляемого на ТЭС топлива, уголь - 28%, мазут и прочие виды топлива - 19%.

Сжигаемый на ТЭС России энергетический уголь имеет обычно низкое качество. Высокая зольность и влажность угля при практическом отсутствии обогащения вызывают значительные технические и экологические трудности при его сжигания в котлах. Это, в частности, явилось одной из причин снижения его использования.

Каждое топливо, в зависимости от его технологических характеристик (содержания серы, золы, теплоты сгорания) можно охарактеризовать условным (без учета радиационных характеристик минеральной части и токсичности содержащихся в топливе микроэлементов), относительным (по отношению к наиболее чистому топливу - природному газу) показателем экологичности:

,

где Сi - концентрация i-го вредного вещества в уходящих газах котла, мг/м3;

ПДКi - максимальная разовая предельно допустимая концентрация i-го вредного вещества в приземном слое воздуха, мг/м3;- теплота сгорания топлива, кДж/кг (индексы “пг” и “т” относятся к природному газу и топливу).

Для топливного баланса ТЭС России в 1998 г. ТЭ=0,65. На ТЭС США показатель экологичности ТЭ=0,2, т. е. он более чем в 3 раза уступает аналогичному показателю ТЭС России.

Основное направление в решении экологических проблем теплоэнергетики

Основное направление в решении экологических проблем на ТЭС состоит в создании экологически чистых ТЭС, отвечающих нормативным экологическим требованиям. В России требования Госстандарта 1995 г. к содержанию загрязняющих веществ в дымовых газах соответствуют в основном требованиям, установленным в промышленно развитых странах, где они отвечают достигнутому уровню техники и учитывают экономические соображения. Существенна при этом величина антропогенной нагрузки на окружающую среду, которая зависит от плотности потока потребляемой энергии, отнесенной к единице площади территории страны (таблица 1).

Промышленно развитые страны являются основными поставщиками выбросов вредных веществ. При этом страны с высокой антропогенной нагрузкой на окружающую среду - Япония, Германия, Нидерланды - имеют жесткие нормативы выбросов, ориентированные на все имеющиеся в их распоряжении методы очистки дымовых газов и использование на электростанциях малосернистого топлива.

Таблица 1. Потоки потребляемой энергии на единицу площади территории ряда стран в 1987 г., петаджоулей на 100000 га

В странах с существенно меньшей антропогенной нагрузкой - США, Канаде, Испании и др. - приняты менее жесткие нормативы удельных выбросов.

С учетом антропогенной нагрузки экологические требования к новым котельным установкам в России, с нашей точки зрения, не должны быть более жесткими, чем, например, в США. Кроме того, экологические нормативы должны устанавливаться исходя из достигнутого в стране уровня технического развития.

При рассмотрении вопроса о нормативах необходимо также учесть еще одно обстоятельство, важное именно для России. Особенности атмосферной циркуляции в северном полушарии Земли приводят к значительному трансграничному переносу газообразных выбросов из стран Западной и Восточной Европы на территорию России.

В нашу страну поступает в 8 раз больше серы и в 7,3 раза больше оксидов азота, чем выносится с ее территории в другие государства.

Особенно сильно подобный дисбаланс ощущается со стороны Германии, Польши, Чехии и Словакии в переносе серы на Европейскую часть России. Очевидно, что эту ситуацию необходимо учитывать при дальнейшем формировании программ Европейского сотрудничества.

Расчет

.Определение величины максимально приземной концентрации См,(мг/м3), для нагретых источников ( источник считается нагретым, если ∆Т > 0):

= 100˚С

где Т1 - температура выброса (см. табл.1)

Т2 - средняя максимальная температура наиболее жаркого месяца года (для Саратовской области Т2=230С);

(1)

где =1

Безразмерный коэффициент m определяется по формуле:

 = 1,135 (2)

Безразмерный коэффициент n определяется в зависимости параметра , (м3/с)

 = 3,0615 (4)

Для расчета  необходимо знать объемную скорость выхода газовоздушной смеси из источника V, м3/с:

(5)

После вычисления  определяем коэффициент n:

1)      n =1, если ≥ 2;

2)      n = 0,532  - 2,13  + 3,13, если 0,5 ≤ < 2;

3)      n = 4,4   если  < 0,5.

. Определение расстояния  от источника горячего выброса до той точки, на которой достигается величина максимально приземной концентрации вредных веществ , м

 = 2373 (6)

) если 0,5 , то d = 2,48 (1 + 0,28 );

2) если 0,5 < ≤ 2, то d = 7   (1 + 0,28  );

) если  > 2 ; то d=4,95   (1 + 0,28 ).

. Рассчитываем максимальную приземную концентрацию для холодного источника . Холодным источником считается, если ∆Т ≤ 0, т.е. температура газовой смеси равна или меньше температуры окружающей среды, которая для Саратовской области равна 23 0С. Коэффициенты А, F, принимаются такие же, как и для нагретых источников.

1364,41 (7)

Характер зависимости и расчетные формулы для холодного источника такие же, как и для нагретых.рассчитывается:

 = 0,35 (8)

Безразмерный коэффициент n, рассчитывается в зависимости от величины :

1)      n =1, если  ≥ 2;

2)      n = 0,532 - 2,13  + 3,13, если 0,5 ≤ < 2;

3)      n = 4,4  , если  < 0,5.

. Определение расстояния  (м) от холодного источника до той точки, где достигается величина

 (9)

) если  ≤ 0,5, то d = 5,7;

) если 0,5 ≤  < 2, то d = 11,4   ;

) если > 2, d = 16.

. Определение опасной скорости ветра Vопасн :

) если ≤ 5, то Vопасн = 0,5 (м/с);

2) если 0,5 <  ≤ 2, то Vопасн = ;

3) если > 2, то Vопасн = V m  (1+0,12) для нагретых выбросов;

) > 2, то Vопасн = 2,2для холодных выбросов.

. Определение расстояния от источника выброса при определении скорости ветра

 = 3512,04 (10)

 = 4959 (11)

 - см. таблица 1

1)      если  ≤ 0,25, то Р = 3;

2)      0,25≤ ≤ 1, то Р = 8,43( 1-  )5 + 1;

)        >1, то Р = 0,32 + 0,68.

. Определение концентрации вредных веществ холодного и горячего источника при определенной скорости ветра

 = 0,239 (12)

 = 64,12 (13)

) если ≤ 1, то r = 0,67 + 1,6()2 - 1,34()3;

) если > 1, то r = .

способ снижения величины выброса. Сравним значение  с ПДКм.р.. Если > ПДКм.р., то попробуем снизить значение  за счет увеличения высоты трубы.

Расчет минимальной высоты трубы для горячего источника

Расчет минимальной высоты трубы в первом приближении, Н1:

 (14)

где Сф = 0, т.к. нет дополнительных источников загрязнения. Полученное значение  подставляем в уравнения 2; 3; 4 (стр. 16 -17) для расчета значений ƒ1m1и для определения n1.

Расчет минимальной высоты трубы во втором и последующих приближениях, Н2 и Нn:

 (15)

Рассчитываем значения Сm с минимальной высотой трубы, т.е. с подобранной величиной , причем все остальные величины рассчитаны ранее по уравнениям 2; 3; 4

 = 0,163 (16)

способ снижения величины выброса - за счет увеличения СЗЗ. Сравним рассчитанное значения  (с учетом   . Если, то рассчитаем расстояния СЗЗ с учетом розы ветров для горячего источника.

ПДК>

Построение розы ветров

Расчет расстояния от источника до внешней границы СЗЗ без учета розы ветров (L0). Причем, используем величины:  рассчитанная по уравнению (1);  рассчитанная по уравнению (6):

 = 1803,4 (17)

где  = 0,638 (18)

где  (19)

Расчет расстояния СЗЗ до ее внешней границы по восьми румбам с учетом вытянутости среднегодовой розы ветров.

Lс = L0  (Pn / P0) = 1352,5 м

Lю = 5635,6 м

Lз= 1127,1 м

Lв= 3381,3 м

Lюз = 2479,6 м

Lюв = 4057,6 м

Lсз= 2254,2 м

Lсв= 2254,2 м

 = 1772

Данное значение превышает ПДК выброса в окружающую среду, поэтому необходимо установить очистное оборудование.

Методы очистки газов

В настоящее время разработано и опробовано в промышленности большое количество различных методов очистки газов от технических загрязнений: NOx, SO2, H2S, NH3, оксида углерода, различных органических и неорганических веществ.

Опишем эти основные методы и укажем их преимущества и недостатки.

Абсорбционный метод.

Абсорбция представляет собой процесс растворения газообразного компонента в жидком растворителе. Абсорбционные системы разделяют на водные и неводные. Во втором случае применяют обычно малолетучие органические жидкости. Жидкость используют для абсорбции только один раз или же проводят ее регенерацию, выделяя загрязнитель в чистом виде. Схемы с однократным использованием поглотителя применяют в тех случаях, когда абсорбция приводит непосредственно к получению готового продукта или полупродукта. В качестве примеров можно назвать:

·        получение минеральных кислот (абсорбция SO3 в производстве серной кислоты, абсорбция оксидов азота в производстве азотной кислоты);

·              получение солей (абсорбция оксидов азота щелочными растворами с получением нитрит-нитратных щелоков, абсорбция водными растворами извести или известняка с получением сульфата кальция);

·              других веществ (абсорбция NH3 водой для получения аммиачной воды и др.).

Схемы с многократным использованием поглотителя (циклические процессы) распространены шире. Их применяют для улавливания углеводородов, очистки от SO2 дымовых газов ТЭС, очистки вентгазов от сероводорода железно-содовым методом с получением элементарной серы , моноэтаноламиновой очистки газов от CO2 в азотной промышленности.

В зависимости от способа создания поверхности соприкосновения фаз различают поверхностные, барботажные и распыливающие абсорбционные аппараты.

В первой группе аппаратов поверхностью контакта между фазами является зеркало жидкости или поверхность текучей пленки жидкости. Сюда же относят насадочные абсорбенты, в которых жидкость стекает по поверхности загруженной в них насадки из тел различной формы.

Во второй группе абсорбентов поверхность контакта увеличивается благодаря распределению потоков газа в жидкость в виде пузырьков и струй. Барботаж осуществляют путем пропускания газа через заполненный жидкостью аппарат либо в аппаратах колонного типа с тарелками различной формы.

В третьей группе поверхность контакта создается путем распыления жидкости в массе газа. Поверхность контакта и эффективность процесса в целом определяется дисперсностью распыленной жидкости.

Общими недостатками абсорбционных методов является образование жидких стоков и громоздкость аппаратурного оформления.

Метод очистки газов от диоксида серы с использованием твердых хемосорбентов <#"817744.files/image069.gif">

Рисунок 1 - Схема установки оксидно-марганцевой очистки дымовых газов от диоксида серы:1 - адсорбер; 2 - циклон; 3 - электрофильтр; 4 - дымовая труба; 5 - аммонийный скруббер; 6 - реактор; 7 - сепаратор; 8 фильтр; 9 - кипятильник; 10 - кристаллизатор; 11-центрифуга; 12 - циклон

Недостатки:

значительные затраты на регенерацию;

необходимость выполнения реакционной аппаратуры из дорогостоящих материалов, так как процессы идут в условиях коррозионных и повышенных температурах.

отходящих газов в производствах серной кислоты и целлюлозы, на нефтеперерабатывающих предприятиях и др.

Сорбционная способность силикагелей по диоксиду серы составляет существенную величину даже при высоких температурах (150-200 °С) и низких концентрациях целевого компонента в газах [<1% (об.)], что объясняют происходящим окислением адсорбированного SO2 в SOS кислородом, содержащимся в обрабатываемых потоках. Регенерацию насыщенного поглотителя ввиду его негорючести можно проводить нагретым воздухом. Если в очищаемых газах содержатся пары воды, величина поглощения силикагелями диоксида серы резко уменьшается.

В качестве поглотителей диоксида серы из газов исследованы ионообменные смолы - аниониты; кислотостойкие цеолиты, в том числе природные.

Большинство сухих методов очистки газов от диоксида серы требует значительных затрат тепла на регенерацию. Их реализация связана также с повышенными капитальными затратами ввиду необходимости выполнения адсорбционной аппаратуры из дорогостоящих специальных материалов. Это препятствует внедрению адсорбционных процессов для очистки газов.

Расчет М (массы выброса после очистки)

Э=95%

Выводы по расчетам

В ходе работы была проведена экологическая экспертиза загрязнения атмосферного воздуха тепловой электростанцией.

Рассмотрено три варианта снижения выброса загрязняющего вещества:

·    Снижение выброса за счет увеличения высоты трубы;

·        Снижение выброса за счет увеличения санитарно защитной зоны;

·        Снижение выброса установкой очистного оборудования.

Более выгодным вариантом, с точки зрения производительности и экологичности, является установка очистного оборудования, так как:

существенно снижаются выбросы загрязняющего вещества;

исключается необходимость в увеличении высоты трубы и санитарно защитной зоны.

Химическая, физическая и токсикологическая характеристика диоксида серы

Диоксид серы - SO2. В нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом (запах загорающейся спички), ядовит. Под давлением сжижается при комнатной температуре. Растворяется в воде с образованием нестойкой сернистой кислоты; растворимость 11,5 г/100 г воды при 20 °C, снижается с ростом температуры.

Раздражает дыхательные пути, вызывая спазм бронхов и увеличение сопротивления дыхательных путей. При воздействии SO2 в виде аэрозоля, образующегося при туманах и повышенной влажности воздуха, раздражающий эффект сильнее. При неблагоприятных метеорологических условиях может вызвать массовое отравление населения. Влажная поверхность слизистых поглощает SO2, затем последовательно образуются H2SO3 и H2SO4. Общее действие заключается в нарушении углеводного и белкового обмена; угнетении окислительных процессов в головном мозге, печени, селезенке, мышцах. Раздражает кроветворные органы.

Спектр поглощения SO2 в ультрафиолетовом диапазоне

Относится к кислотным оксидам. Растворяется в воде с образованием сернистой кислоты (при обычных условиях реакция обратима):

+ H2O ↔ H2SO3

Химическая активность SO2 весьма велика. Наиболее ярко выражены восстановительные свойства SO2, степень окисления серы в таких реакциях повышается.

Последняя реакция является качественной реакцией на сульфит-ион SO32− и на SO2 (обесцвечивание фиолетового раствора). В присутствии сильных восстановителей SO2 способен проявлять окислительные свойства.

диоксид ветер газ труба

Список использованной литературы

.        Рыжкин В. Я. Тепловые электрические станции. Под ред. В. Я. Гиршфельда. Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 328 с.

.        Елизаров Д.П. Теплоэнергетические установки электростанций: Учебник для вузов / Д.П. Елизаров. - М.: Энергоиздат, 1982. - 264 с.

.        Баскаков А.П., Берг Б.В., Витт О.К. и др. Теплотехника: Учебник для вузов / Под ред. А.П. Баскакова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224с.