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;

Qr 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 100 000 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

1.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)

где? =0,14 (3)

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.

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

= 2373 (6)

1) если 0,5, то d = 2,48 (1 + 0,28);

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

3) если > 2; то d=4,95 (1 + 0,28).

3. 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.

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

(9)

1) если? 0,5, то d = 5,7;

2) если 0,5? < 2, то d = 11,4 ;

3) если > 2, d = 16.

5. Определение опасной скорости ветра Vопасн :

1) 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;

4) > 2, то Vопасн = 2,2для холодных выбросов.

6. 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;

3) >1, то Р = 0,32 + 0,68.

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

= 0,239 (12)

= 64,12 (13)

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

2) если > 1, то r = .

1 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 ?1m1и 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)

2 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 Расчет ПДВ

= 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 Недостатки абсорбционных методов очистки газов от диоксида серы привели к разработке процессов, основанных на использовании твердых хемосорбентов — путем их введения в пылевидной форме в топки и (или) газоходы теплоэнергетических агрегатов. В качестве хемосорбентов могут быть использованы известняк, доломит или известь. Наряду с перечисленными хемосорбентами в качестве агентов для связывания диоксида серы могут быть использованы и некоторые оксиды металлов. Среди исследованных и опробованных методов некоторую практическую реализацию получил окисно-марганцевый метод.

По этому методу горячие дымовые газы (?135°С) обрабатывают оксидом марганца в виде порошка. В процессе контакта оксида марганца с диоксидом серы и кислородом происходит реакция

MnOх * nH2O+SO2+(l— х/2)О2 > MnSO4+nH2O,

где х-1,6—1,7.

Образующийся сульфат марганца после его выделения из газа обрабатывают в виде водной пульпы аммиаком с целью, регенерации оксида марганца МnSО4+2NН3+(n+1)Н2О+(x—1)/2О2 > MnOх * nH2O +(NH4)2SO4

В соответствии с рисунком 1 инжектируемый в дымовые газы оксид марганца взаимодействует с содержащимся в них диоксидом серы в адсорбере. Выходящие из адсорбера газы освобождают от взвешенных примесей в циклоне и электрофильтре, после чего через дымовую трубу при ?115°С очищенные газы поступают в атмосферу.

Основное количество хемосорбента из циклона и электрофильтра вновь направляют на контактирование с дымовыми газами, а небольшую его часть в виде водной пульпы с целью регенерации оксида марганца последовательно обрабатывают в аммонийном скруббере и реакторе водным раствором аммиака и воздухом. Уловленную в процессе газоочистки сажу, находящуюся в поступающей из реактора пульпе, отделяют в сепараторе. Регенерированный оксид марганца выделяют из раствора на фильтре и направляют в голову процесса. Освобожденный от взвешенных веществ раствор сульфата аммония через кипятильник передают на вакуум-кристаллизацию. Образующиеся кристаллы сульфата аммония отделяют от маточного раствора на центрифуге и после высушивания, горячим воздухом отделяют от последнего в циклоне. Преимущества сухих методов очистки газов от SO2: возможность обработки газов при повышенных температурах без увлажнения очищаемых потоков, что позволяет снизить коррозию аппаратуры, упрощает технологию газоочистки и сокращает капитальные затраты на нее. Наряду с этим они обычно предусматривают возможность цикличного использования поглотителя и (или) утилизацию продуктов процесса очистки газов.

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):

SO2 + 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

1. Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. «Общая и неорганическая химия» М.: Химия 1994;249 с.

2. 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.

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

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

.ur