Сжигание топлива в котельных на примере ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 г. Новосибирск

Новосибирская ТЭЦ-2 (ранее Левобережная ГРЭС) — предприятие энергетики Новосибирска, входит в российскую энергетическую компанию «Сибирьэнерго» и местную «Новосибирскэнерго». Как и почти все станции города (кроме НТЭЦ-5) относится к станциям «неблочного» типа (с поперечной связью). ТЭЦ-2 находится по адресу: 630 032, г. Новосибирск, ул. Станционная, 4 (Ленинский район города Новосибирска).

Рис. 1

Строительство Левобережной ГРЭС мощностью 44 МВт началось в феврале 1930 года. 6 ноября 1935 года на ГРЭС был пущен первый турбоагрегат мощностью 24 тыс. кВт. К этому времени было закончено сооружение линии электропередачи 35 кВ, соединившей Новосибирские ТЭЦ на параллельную работу. В октябре 1936 года вошла в строй проложенная от Новосибирской ТЭЦ-1 первая теплотрасса, положившая начало теплофикации г. Новосибирска. Осенью 1937 года от Левобережной ГРЭС было подано тепло заводу Сибсельмаш. В августе 1941 года вошел в эксплуатацию второй турбоагрегат на Левобережной ГРЭС мощностью 25 тыс. кВт с теплофикационными отборами пара. К 1965 году на Новосибирской ТЭЦ-2 были введены в эксплуатацию 3-го теплофикационных блока мощностью по 20 тыс. кВт (Т-20−90) и 2 теплофикационных блока по 60 тыс. кВт (ПТ-60−130/13), в начале 90-х последние прошли модернизацию, в 2011 году одна из турбин была перемаркирована на 65 тыс. кВт. В конце 80-х было введено ещё 2 блока по 80 тыс. кВт (ПТ-80−130/13). Таким образом, на начало 2012 года установленная мощность станции составляет 345 МВт.

Рис. 2

Новосибирская ТЭЦ-3 — предприятие энергетики Новосибирска, входит в российскую энергетическую компанию «Сибирьэнерго» и местную «Новосибирскэнерго». Как и почти все станции города (кроме НТЭЦ-5) относится к станциям «неблочного» типа (с поперечной связью). ТЭЦ-3 находится по адресу: 630 108, г. Новосибирск, ул. Большая, 310 (Ленинский район города Новосибирска).

В 1939 году было заложено строительство крупной ТЭЦ-3 при заводе Сибсельмаш. Первый агрегат 25 тыс. кВт на этой ТЭЦ дал ток в сентябре 1942 года, второй такой же мощности в октябре 1943 года. С вводом ТЭЦ-3 мощность новосибирских электростанций увеличилась до 110 тыс. кВт. К концу Великой Отечественной войны выработка электроэнергии увеличилась в 3 раза. Отпуск тепла увеличился более, чем в 5 раз. В 1948 году был введен первый послевоенный турбоагрегат мощностью 50 тыс. кВт на Новосибирской ТЭЦ-3. К 1953 году мощность этой станции достигла 181,5 тыс. кВт. В период с 1971 года по 1975 годы велось расширение станции. В период с 1971 года по 1974 год на станции были введены в эксплуатацию 7 турбоагрегатов общей мощностью 392 тыс. кВт. Мощность станции увеличилась более чем в 2 раза.

В декабре 2004 года на станции введена введена в эксплуатацию новая турбина 110 МВт.

1. Выбросы ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3

ТЭЦ работают на органическом топливе, в качестве которого используют сравнительно дешевые уголь (особенно экибастузский уголь) и мазут.

Сжигание топлива на ТЭЦ связано с образованием продуктов сгорания, содержащих летучую золу, частицы недогоревшего пылевидного топлива, сернистый и серный ангидрид, оксиды азота и газообразные продукты неполного сгорания, а при сжигании мазута, кроме того, соединения ванадия, соли натрия, кокс и частицы сажи.

Каменный уголь содержит ртуть, которую получает из-под земли по линиям разломов земной коры (из-за активности мантии Земли). При сжигании угля ртуть вылетает, оседает и смывается дождём в воду. Значит, максимум ртути — вокруг ТЭЦ, где уголь — основное топливо. Ртуть представляет опасность не только для человека, но и для растений, животных и рыб. Проникновение ртути в организм чаще всего происходит именно при вдыхании её паров, не имеющих запаха. Ртуть и ее соединения, являются опасными высокотоксичными веществами, способными накапливаться в организме человека и долго не выводиться, нанося непоправимый вред здоровью. Вследствие этого, у человека поражаются нервная система, печень, почки и желудочно-кишечный тракт. Ртуть сохраняется в организме в течение года.

Острое отравление ртутью проявляется через несколько часов после начала отравления. Интоксикация происходит, главным образом, через дыхательные пути, порядка 80% вдыхаемых паров ртути задерживается в организме. Соли и кислород, содержащиеся в крови, способствуют поглощению ртути, ее окислению и образованию ртутных солей. Симптомы острого отравления солями ртути: общая слабость, отсутствие аппетита, головная боль, боль при глотании, металлический вкус во рту, слюнотечение, набухание и кровоточивость десен, тошнота и рвота Так как не хватает качественного топлива, ТЭЦ работают на низкосортном. В процессе сгорания такого топлива образуются загрязняющие вещества, которые выводятся в атмосферу с дымом и попадают в почву с золой. Помимо того, что эти выбросы неблагоприятно влияют на окружающую среду, продукты сгорания вызывают выпадение кислотных осадков и парниковый эффект, который грозит нам засухами.

Одним из факторов воздействия угольных ТЭЦ на окружающую среду являются выбросы систем складирования топлива, его транспортировки, пылеприготовления и золоудаления. При транспортировке и складировании возможно не только пылевое загрязнение, но и выделение продуктов окисления топлива. Для золошлакоотвалов требуются значительные территории, которые долгое время не используются, и являются очагами накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности, которые воздушным путем или же с водой попадают в биосферу.

Кроме того, происходит значительное тепловое загрязнение водоемов при сбрасывании в них теплой воды, что сопутствует цепным природным реакциям: зарастанию водоемов водорослями, нарушению кислородного баланса, что создает угрозу для жизни обитателей рек и озер.

Основными факторами воздействия ТЭЦ на гидросферу являются выбросы теплоты, следствием которых могут быть: постоянное локальное повышение температуры в водоеме; временное повышение температуры; изменение условий ледостава, зимнего гидрологического режима; изменение условий паводков; изменение распределения осадков, испарений, туманов.

К сточным водам ТЭЦ относятся следующие воды: содержащие нефтепродукты, после обмывки поверхностей нагрева паровых котлов, сбросные после установок химической очистки, консервации и промывок оборудования, а также систем гидрозолоудаления.

Загрязняющие примеси выбросов электроцентрали воздействуют на биосферу, подвергаются различным превращениям и взаимодействиям, а также осаждаются, вымываются атмосферными осадками, поступают в почву и водоемы. Кроме основных компонентов, образующихся в результате сжигания органического топлива (углекислого газа и воды), выбросы ТЭЦ содержат пылевые частицы различного состава, оксиды серы, оксиды азота, фтористые соединения, оксиды металлов, газообразные продукты неполного сгорания топлива. Их поступление в воздушную среду наносит большой ущерб, как всем основным компонентам биосферы, так и предприятиям, объектам городского хозяйства, транспорту и населению района. Наличие пылевых частиц, оксидов серы обусловлено содержанием в топливе минеральных примесей, а наличие оксидов азота — частичным окислением азота воздуха в высокотемпературном пламени.

выброс гидросфера теплоэлектростанция ванадий Таблица 1.1 — Предельно допустимая концентрация основных выбросов, загрязняющих атмосферу отходящими газами ТЭЦ в атмосферном воздухе на уровне дыхания человека

Характеристика основных загрязняющих веществ ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3. Их воздействие на организм человека Углекислый газ — бесцветный газ (в нормальных условиях), без запаха, со слегка кисловатым вкусом.

Плотность при нормальных условиях 1,97 кг/мі. При атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что используется для его хранения.

Вещество, которое обычно называют «взвешенные вещества» (ВВ), включает много различных компонент. В него входят пыль, зола, сажа, дым, сульфаты, нитраты и другие твердые составляющие. ВВ образуются в результате сгорания всех видов топлива и при производственных процессах. В зависимости от состава выбросов они могут быть и высокотоксичными, и почти безвредными. Они могут иметь как антропогенное, так и естественное происхождение, например, образовываться в результате почвенной эрозии. В данных о выбросах все эти вещества отнесены к твердым.

Камдмий — элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 48. Обозначается символом Cd (лат. Cadmium). Простое вещество кадмий при нормальных условиях — мягкий ковкий тягучий переходный металл серебристо-белого цвета. Устойчив в сухом воздухе, во влажном на его поверхности образуется плёнка оксида, препятствующая дальнейшему окислению металла.

Свинемц (лат. Plumbum; обозначается символом Pb) — элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 82 и, таким образом, содержит магическое число протонов. Простое вещество свинец — ковкий, сравнительно легкоплавкий металл серебристо-белого цвета с синеватым отливом. Известен с глубокой древности.

Канцерогемн (от лат. cancer — рак и др.-греч. геннЬщ — рождаю) — химические вещества, физическое излучение или онкогенные вирусы, воздействие которых на организм человека или животного повышает вероятность возникновения злокачественных новообразований (опухолей).

Оксид азота, образующийся главным образом естественным путем, безвреден для человека. Он представляет собой бесцветный газ со слабым запахом и сладковатым вкусом. При сгорании топлива в тепловых электроцентралях примерно 90% оксидов азота образуется в форме монооксида азота. Оставшиеся 10% приходятся на диоксид азота.

Таблица 2.1 — Влияние вредных веществ, выбрасываемых ТЭЦ на организм человека

2. Системы очистки, применяемые на ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3

Компания РВС завершила проект по внедрению системы шариковой очистки охлаждающих трубок конденсатора на Новосибирских ТЭЦ. В результате реализации проекта СИБЭКО (ранее Новосибирскэнерго) удалось повысить эффективность использования существующего оборудования. Также сократились удельные расходы топлива на производство энергии и ремонтно-эксплуатационные затраты.

В процессе эксплуатации Новосибирских ТЭЦ вместе с охлаждающей водой в конденсаторы поступали загрязнения, приводящие к образованию отложений на внутренних поверхностях охлаждающих трубок и снижению их теплопроводности. Из-за этого происходило ухудшение вакуума в конденсаторе, как следствие падала эффективности работы турбины. Традиционный способ очистки трубок высоконапорной установкой обеспечивал их нормативную теплопроводность лишь на короткий промежуток времени — порядка 1 месяца, что явно недостаточно при непрерывной работе энергоблоков в течение зимней кампании. Для улучшения технико-экономических показателей ТЭЦСИБЭКО решили применить энергоэффективную технологию — систему шариковой очистки (СШО). Отличительная особенность СШО — способность производить очистку трубок непосредственно во время работы конденсатора.

После завершения проекта, с началом эксплуатации системы, технико-экономические показатели работы турбоагрегатов значительно улучшились. Благодаря поддержанию вакуума в конденсаторах на уровне нормативных значений, энергоблоки ТЭЦ теперь работают без ограничений мощности и в сложные летние месяцы, когда температура охлаждающей воды становится высокой.

Также система шариковой очистки позволила Новосибирским ТЭЦ сократить ремонтно-эксплуатационные затраты на чистку и обслуживание конденсаторов и увеличить экономичность паротурбинных установок.

3. Практическая часть

Контрольное задание по расчету котельных вариант 5

Используя исходные данные таблиц 1, 2, 3 найти:

— требуемое количество воздуха;

— объем отходящих газов;

— валовый и максимальный разовый выбросы всех загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу.

Таблица 3.1 — Исходные данные по расчету выбросов ЗВ котельных

Таблица 3.2 — Характеристика твердых и жидких топлив

Таблица 3.3 — Значения удельного показателя g*

1) Теоретический объем воздуха, необходимого для горения твердого топлива, определяют по формуле:

V0 = 0.0889(C+0.375*S)+0.265*H-0.0333*O

V0 = 0,0889(43,7 + 0,375*0,20+0,265*3−0,0333*13,5 = 4,2366 мі/кг

2) Теоретические объемы продуктов сгорания (при б=1) топлива рассчитывают по формуле:

V*У = V*RO2 + V*N + V*H2O

Для твердого и жидкого (мі/кг)

V*RO2 = 0,0186(С+0,375*S)

V*RO2 = 0,0186(43,7+0,375*0,2) = 3,8916 мі/кг

V*N = 0,79*V0 + 0,008*N

V*N = 0,79*4,2366+0,008*0,6 = 3,3517 мі/кг

V*H2O = 0,111*H + 0.0124*W + 0.0161*V0

V*H2O = 0,111*3+0,0124*33+0,0161*4,2366 = 0,8102 мі/кг

V*У = 3,8916+3,3517+0,8102 = 8,0535 мі/кг

4) Расход газов, поступающих в дымовую трубу, при рабочих условиях рассчитывают по формуле:

Vатм = В*10Їі [V*У+(еух-1)*V0]*[Тух+273]/27 312

Vатм = 300*10Їі[8,0535+(1,2−1)*4,2366]*[200+273]/273 = 4,62 647 мі/с

5) Количество выбрасываемых твердых частиц (валовый (в т/г) и максимально разовый (в г/с)), при отсутствии данных по содержанию горючих в уносе, определяют по формуле:

Расчет выбросов твердых частиц Мтв (Gтв) = У0,01Bi*[(бун*А+qун (Qн/32,7)]*(1- зоч)

300 г/с переводим в т/год, получаем 946,08 т/год

Gтв = У 0.01*300[(0,95*6+1,2(15,54/32,7)]*(1−0,9) = 1,881 г/с Мтв = У 0,01*946,08*10⁶ [90,95*6+1,2(15,54/32,7)]*(1−0,9) = 5,27 т/г Расчет выброса оксида серы

MSOx (GSOx) = У0,02*Bi*S (1- з' Sox)(1- з'' SOx)

GSOx = 0,02*300*0,2(1−0,5)(1−0,2) = 0,48 г/с

MSOx = 0,02*946*10⁶*0,2(1−0,5)(1−0,2) = 1,514 т/г Расчет выброса оксида углерода

MCO (GCO) = У0,001*C*CO*B (1- q мех/100)

C*CO = (qхим*R*Qт)/1,013

C*CO = (4*1*15,54)/1.013 = 61,36 г/кг

GCO= У0,001*61,36*300(1−0,5/100) = 18,32 г/с МСО = У0,001*61,36*946*10⁶(1−0,5/100) = 57,761 т/г Расчет выбросов оксида ванадия

MV (GV)= У10^-6*V*Bi (1-Xiкот)(1- зоч)

V = 94,5*S-31,6

V = 94,5*2,8−31,6 = г/т Расчет выбросов оксидов азота

MNOx (GNOx) = У0,34*10^-4*Ш*Bi*Qн (1- q мех/100)*(100- е 1* ri)*в1*в2*в3* е 2

в1 = 0,178+0,47*р в1 = 0,178+0,47*0,6 = 0,46

MNOx = У0,34*10^-4*5,3*946,08*10⁶*15,54(1−0,5/100)(100−1*0)*0,46*0,85*1*0,8 = 0,0484 т/г

GNOx = У0,34*10^-4*5,3*300*15,54(1−0,5/100)(100−1*0)*0,46*0,85*1*0,8 = 26,14 г/с

6) Валовое выделение (в т/г) рассчитывается по формуле М = У g*xPiX10^-6

M (тв.в-ва) = 70,4*946 080*10^-6 = 66,60 т/год М (SO2) = 48,6*946 080*10^-6 = 45,98 т/год

M (CO) = 25,8*946 080*10^-6 = 24,41 т/год

M (NO) = 0,95*946 080*10^-6 = 0,9 т/год

Выводы

На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1) Основными компонентами взаимодействия ТЭЦ с атмосферой являются продукты сгорания бурого угля в воздушной среде. В процессе сгорания составляющие угля (С — углерод, Н — водород, O — кислород, N — азот, S — сера, H2O — влага) превращаются в дымовые газы, содержащие при полном сгорании CO2 — углекислый газ, H2O — водяные пары, N — азот, NOокись, NO2 — двуокись и NOx — другие оксиды азота, SO — серный и SO2 — сернистый ангидрид, а при неполном сгорании еще CO — угарный газ, а также канцерогенные вещества золы и шлака (минеральные части топлива, тяжелые металлы, редкоземельные элементы, фтористые соединения и прочее).

ТЭЦ оказывают и другие вредные воздействия на окружающую среду. Так, повышенное содержание серы в буром угле вызывает усиленную коррозию поверхностей нагрева котлов, постепенное разрушение строительных. Эксплуатация ТЭЦ, работающих на буром угле, дает значительное количество отходов в виде золы и шлака.

2) При использовании бурого угля в качестве топлива на ТЭЦ, за год в окружающую среду выбрасывается около 67 тонн твердых веществ (зола), 46 тонн оксида серы, 24 тонны углекислого газа и тонна оксида азота. При сжигании твердого топлива преобладающая часть ущерба возникает от воздействия выбросов диоксида серы и золы.

3) Для горения твердого топлива требуется большой объем воздуха. По расчетам он составляет 4,2366 мі/кг.

В качестве альтернативы бурому углю, на ТЭЦ можно применять в качестве топлива природный газ.

Преимущества природного газа, как топлива:

природный газ, являясь наиболее дешевым топливом, позволяет производить более дешевую электрои теплоэнергию;

низкая стоимость капитального строительства станции на газе по сравнению со строительством станций на других видах сырья, так как нет необходимости строить склады топлива и разрабатывать системы утилизации отработанного топлива и очистки дымовых газов;

природный газ — самый экологичный вид топлива, уровень выбросов NOx в разы меньше, чем при использовании бурого угля.

Недостатком использования природного газа в качестве топлива можно считать следующие причины:

Не везде есть возможность подключиться к газовой трубе.

Затраты на подключение к природному газу перекрывают всю экономическую целесообразность строительства станции. В результате расходы на подключение к газовой трубе выводят финансовые результаты на окупаемость проекта строительства за срок 10−15 лет.

1. Белов С. В. Охрана окружающей среды. М.: Высшая школа, 1991 г. 319 с.

2. Я. М. Грушко «Вредные органические соединения в промышленных выбросах ТЭЦ в атмосферу», Издательство «Химия» Ленинград 1999 г.