Методы регулирования выбросов в атмосферу продуктов сгорания органического топлива от стационарных энергетических источников

Актуальность темы

.

Топливно-энергетический сектор экономики является одновременно крупнейшим потребителем минеральных природных ресурсов и одним из главных загрязнителей природной среды. Под влиянием антропогенных энергетических источников происходит истощение и загрязнение геосферных оболочек Земли. Проблема эффективного использования топливно-энергетических ресурсов относится к числу ключевых в геоэкологии и играет особенно важную роль в области охраны атмосферного воздуха.

Выбросы в атмосферу основных загрязняющих вредных веществ и парниковых газов на 80 — 90% обусловлены процессами сжигания органического топлива. Продукты сгорания органического топлива поступают в атмосферный воздух от энергетических источников, в числе которых тепловые электрические станции, промышленные и коммунальные котельные, различные бытовые устройства, использующие органическое топливо для выработки тепловой, механической и электрической энергии. Из-за неэффективного использования вырабатываемой энергии более половины топлива сгорает впустую, при этом создаются неоправданно высокие уровни загрязнения атмосферного воздуха.

На городском и региональном уровнях осуществляется управление качеством атмосферного воздуха. В том числе принимаются решения по выбору методов регулирования выбросов, поступающих в атмосферу от энергетических источников с продуктами сгорания органического топлива. При этом ресурсы энергосбережения часто выпадают из системы экологических мероприятий, предпринимаемых службами охраны окружающей среды на промышленных предприятиях, и остаются вне поля зрения государственных природоохранных структур. Между тем, на основе целостного системного анализа потенциала энергосбережения для всей совокупности производящих и потребляющих энергию объектов можно не только повысить эффективность энергоснабжения, но и существенно расширить возможности охраны атмосферного воздуха. Энергосберегающие мероприятия (ЭСМ), в первую очередь, в сфере потребления, способны обеспечить экономное расходование ископаемого топливапропорционально достигнутой экономии топлива сокращаются выбросы вредных продуктов сгорания в атмосферу.

Чтобы организовать эффективную систему регулирования выбросов, необходимо включать методы энергосбережения в число рассматриваемых мер по улучшению качества атмосферного воздуха. Для этого должна быть обеспечена возможность их сравнения в сопоставимых величинах с другими известными методами сокращения выбросов. Оценка экологического эффекта, получаемого в результате роста эффективности энергоснабжения, в том числе при реализации ЭСМ, позволит оптимизировать процедуру выбора средств защиты воздушного бассейна от загрязнения.

Основная идея работы состоит в том, что система регулирования выбросов в атмосферу от стационарных энергетических источников должна включать в себя не только методы прямого воздействия на качество топлива, режим горения, физико-технические параметры отходящих газов и их очистку, но и методы, повышающие эффективность выработки, передачи и конечного использования производимой энергии.

Объект исследования: загрязнение атмосферного воздуха продуктами сгорания органического топлива, поступающими от стационарных энергетических источников.

Предмет исследования: значение энергосбережения в сокращении промышленных выбросов и улучшении качества атмосферного воздуха.

Цель диссертационной работы: разработка метода сравнительной экологической оценки мероприятий по регулированию выбросов в атмосферу продуктов сгорания органического топлива от стационарных энергетических источников, включая энергосберегающие мероприятия, и оценка возможностей использования энергосбережения в управлении качеством атмосферного воздуха.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи исследования:

1. Изучить и проанализировать геоэкологические воздействия, обусловленные процессами выработки и использования энергии органического топлива, влияющие на качество атмосферного воздуха. Определить структурные составляющие системы, в рамках которой может осуществляться экологическая оценка мероприятий по регулированию выбросов от стационарных энергетических источников.

2. Систематизировать методы регулирования выбросов в атмосферу от стационарных энергетических источников, в том числе методы повышения энергоэффективности и энергосбереженияопределить их роль и место в организации долгосрочного и оперативного регулирования выбросов.

3. Предложить аналитическую модель эколого-энергетического планирования развития территории, города, отдельных предприятий, в которой определяется тенденция изменения количества потребляемого топлива и выбросов продуктов сгорания.

4. Предложить новые способы регулирования выбросов на основе системного экологического подхода к топочным процессам в стационарных энергетических установках.

5. Разработать метод сравнительной экологической оценки.

— процессов сжигания топлива в стационарных энергетических устройствах;

— мероприятий по сокращению выбросов в атмосферу от стационарных энергетических источников, включая энергосберегающие мероприятия.

Научная новизна работы:

— Разработана классификация методов регулирования выбросов загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу с продуктами сгорания от стационарных энергетических источников.

— Выявлены особенности влияния энергосбережения на поступление в атмосферный воздух и распространение вблизи земной поверхности продуктов сгорания от стационарных энергетических источников при долгосрочном и оперативном регулировании выбросов.

— Установлены закономерности изменения совокупной токсичности загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу с продуктами сгорания основных видов органического топлива, в зависимости от тепловой мощности энергетических установок.

— Обоснован экологический принцип перераспределения региональных топливных потоков в качестве метода регулирования выбросов и с целью защиты воздушного бассейна урбанизированной территории,.

— Предложен способ управления подачей воздуха на горение топлива, заключающийся в формировании корректирующего сигнала по сумме сигналов от датчиков содержания загрязняющих веществ в отходящих газах, в соответствии с заданным критерием экологически оптимального режима горения.

— Предложен способ оперативного регулирования выбросов стационарного энергетического источника при пониженных нагрузках, заключающийся в кратковременном увеличении эффективной высоты выброса за счет использования резервной мощности энергетического оборудования для усиления динамических характеристик дымового факела.

Методы исследования.

Общей методологической основой выполняемой работы является системный подход, включающий анализ и обобщение опыта работ в области контроля источников загрязнения атмосферы продуктами сгорания, расчетов рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и реализации методов, обеспечивающих эффективное использование топливно-энергетических ресурсов. Для решения поставленных задач производилась обработка отчетных материалов государственного и производственного экологического контроля промышленных предприятий, данных об испытаниях стационарных энергетических топливосжигающих установок и их влиянии на загрязнение атмосферного воздуха.

Практическая значимость работы.

Результаты данной работы могут быть использованы органами местной власти, государственными природоохранными структурами и руководством промышленных предприятий: а) при выборе мероприятий по сокращению выбросов загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу с продуктами сгорания органического топлива от стационарных энергетических источниковб) при прогнозировании тенденции загрязнения атмосферы, разработке программ снижения вредного воздействия на атмосферный воздух и обосновании стратегии воздухоохранной деятельностив) при подготовке концепций экономического развития в условиях экологических и ресурсных ограниченийг) при разработке региональных энергетических программ.

Основные защищаемые научные положения:

1. Методический подход, предусматривающий систематизацию и сравнительную экологическую оценку мероприятий по регулированию выбросов продуктов сгорания от энергетических источников, включая в число этих мероприятий реализацию экологически обусловленных методов повышения энергоэффективности и энергосбережения, позволяет улучшить управление качеством атмосферного воздуха.

2. Уровень защиты воздушного бассейна урбанизированной территории от загрязнения можно повысить, если перераспределить городские и региональные топливные потоки на основе результатов сравнительного экологического анализа стационарных энергетических установок различной мощности и назначения.

3. При пониженных нагрузках стационарного энергетического источника могут возникать ситуации, неблагоприятные для рассеивания выбросов в атмосферном воздухе. В таких случаях для увеличения эффективной высоты выбросов, с целью снижения наземной концентрации вредных веществ, могут быть использованы тягодутьевые устройства резервных энергетических установок.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах и заседаниях научно-технического совета НИИ охраны атмосферного воздуха (Санкт-Петербург, 2001 — 2005 гг.), на Научно-практической конференции «Развитие и совершенствование научно-методической и нормативно-правовой деятельности в обеспечение реализации статей Федерального закона „Об охране окружающей среды“ „(Санкт-Петербург, 4−5 июня 2002 г.), на IV Международной конференции „“ Воздух'2004“ Научно-технические, социальные и экономические проблемы воздушной среды» (Санкт-Петербург, 9−11 июня 2004 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликовано десять научных работ, в том числе два авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Текст изложен на 121 страницах, включает 11 таблиц и 12 рисунков.

Список литературы

содержит 124 наименования.

Выводы и рекомендации.

1. Экономия энергоресурсов уменьшает количество расходуемого топлива и приводит к пропорциональному сокращению выбросов всех видов загрязняющих веществ, образующихся при сжигании, в том числе оксидов серы, азота, продуктов неполного сгорания, а также климатообразующих парниковых газов. Фактор роста энергоэффективности в широком значении этого понятия — от повышения КПД энергоисточника до эффективного использования полезной энергии топлива в сфере материального производства и услуг, относится к числу универсальных средств защиты воздушного бассейна.

2. Реализация принципов интенсивного (комплексного) энергосбережения позволяет сократить расход энергии в несколько раз за счет энерготехнологической перестройки производства. По экспертным оценкам [38] приблизительно 10% первичной энергии составляют теоретически минимальные затраты на обеспечение нужд человека (полезное энергопотребление). Причем суммарные затраты на добычу, транспорт, преобразование энергии топлива в электроэнергию и теплоту и последующее их распределение конкретным потребителям составляют около 30% первичной энергии. Затраты (потери) энергии в конечном использовании — 60%. Столь большой разрыв между количеством подведенной (конечной) и потребляемой полезной энергии оказывается за пределами традиционной структурной схемы энергетики, а технология энергопотребления остается вне поля зрения профессиональных энергетиков. На промышленных предприятиях причина этого разрыва кроется в энергетическом несовершенстве технологий и в плохой организации производственного процесса. В непроизводственной сфере — в низком уровне автоматизации электрои теплопотребления, в использовании преимущественно энергозатратных бытовых приборов и в отсутствии заинтересованности населения в экономии энергоресурсов.

3. Экономия энергоносителей, достигнутая на этапе конечного г потребления, передается по всей энергетической цепочке к ее началу. На каждом предшествующем этапе энергетической системы эффект экономии топлива увеличивается в соответствии с действующим КПИ коэффициентом полезного использования) каждой из технологических процедур передачи, преобразования энергии, транспорта и добычи топлива. Мероприятия, повышающие эффективность использования энергии, как правило, несопоставимы по уровню затрат с совокупными затратами на добычу, транспорт топлива, производство, доставку и распределение энергоносителей.

4. В результате реализации ЭСМ, при условии сохранения уровня полезного потребления, производство энергоресурсов сокращается: сбережение энергии равносильно ее «добыче» по месту дальнейшего использования. Эквивалентное количество неиспользованных энергоносителей «возвращается» энергетическому источнику. При возрастании полезного потребления по той же причине не происходит роста энергоснабжения от внешних источников.

5. Несмотря на неблагоприятные изменения топливной структуры, существует реальная возможность удержания ситуации с выбросами в условиях экономического роста в пределах, установленных природоохранным законодательством. Помочь в этом может своевременная реализация располагаемого потенциала энергосбережения. Понимание значения роста энергоэффективности для решения экологических проблем (в том числе, в выполнении международных обязательств России по сокращению выбросов) со стороны государственных природоохранных структур и экологических служб предприятий должно способствовать подготовке и реализации энергосберегающих мероприятий. Мероприятия должны включаться в планы и программы всех уровней по сокращению выбросов и охране окружающей среды.

6. С точки зрения перспективы экономического развития, укрепления л энергетической безопасности страны и улучшения качества атмосферного воздуха, следует снижать энергоемкость экономики, одновременно сокращая зависимость от невозобновляемых энергоресурсов. Для этого необходимо активизировать проведение структурных преобразований в экономике, а на переходном этапе, по крайней мере, в течение ближайших 10 — 15 лет, реализовать имеющиеся резервы энергосбережения. Тем самым ежегодно будет сокращаться доля невосполнимых потерь энергии в процессе стабилизации, а затем и последовательного снижения объемов ежегодного расходования ископаемого топлива.

7. В зависимости от поставленной задачи, ресурс энергосбережения может быть израсходован на развитие производства, транспорта и услуг, либо реализоваться в экономии топлива, обусловливая пропорциональное сокращение выбросов. Принимать соответствующее решение должны местные власти и природоохранные структуры на основании анализа ситуации на отдельных предприятиях, в городе, регионе. Ресурс энергосбережения может и должен быть использован в системе управления качеством атмосферного воздуха города, региона на основе данных о вкладе отдельных источников в атмосферное загрязнение, одновременно обеспечивая сокращение трансграничного переноса вредных примесей и выполнение обязательств по сокращению выбросов парниковых газов в соответствии с Киотским протоколом.

8. Многочисленные оценки и исследования свидетельствуют о том, что решение задачи роста эффективности (энергетической и экологической) систем энергоснабжения промышленной и непроизводственной сфер следует начинать с последнего звенаконечного использования энергии. Именно здесь обнаруживаются наибольшие потери энергии, как следствие многократного превышения реально необходимого полезного потребления. И именно этими потерями в наибольшей мере обусловлен огромный перерасход ископаемого топлива.

9. Сбережение разных видов энергии различным образом влияет на улучшение качества атмосферного воздуха. Экономия электроэнергии приводит к сокращению нагрузки и снижению объемов выбросов крупных тепловых электростанций (ГРЭС), работающих в конденсационном режиме (без выработки тепла) и поэтому расположенных вдали от населенных пунктов. С точки зрения охраны атмосферного воздуха, мероприятия по сокращению электропотребления в большей степени способствуют уменьшению дальнего переноса вредных примесей, за которые «отвечают» высокие дымовые трубы ГРЭС. Экономия потребляемого тепла промышленностью и населением приводит к снижению нагрузки близко расположенных городских энергетических источников. Поэтому сбережение тепловой энергии в большей степени способствует снижению уровней местного загрязнения атмосферного воздуха, которое обусловлено выбросами промышленных энергетических установок, котельных и ТЭЦ.

10.В качестве инструментария для оценки тенденции загрязнения атмосферы продуктами сгорания и для принятия управленческих решений с целью долгосрочного регулирования выбросов в пределах города, области могут быть использованы следующие макропоказатели:

— суммарное годовое потребление топлива в городе, регионеважнейший энергетический и экологический параметр, поскольку он обусловливает общее количество поступающих в атмосферный воздух основных загрязняющих веществ;

— изменение количества потребляемой энергии (фактическое или планируемое) при сохранении структуры топливного балансахарактеризует тенденцию загрязнения атмосферы продуктами сгорания на рассматриваемой территории.

11.Потребление топлива (и загрязнение воздуха) стабилизируется, когда прирост полезного энергопотребления на рассматриваемом объекте или территории полностью обеспечивается дополнительной выработкой энергии на нетопливных установках и реализацией энергосберегающих мероприятий. В случае опережающего развития нетопливных мощностей и энергосбережения, соответственно, происходит уменьшение количества сжигаемого топлива и поступления в атмосферный воздух продуктов сгорания.

12.В масштабе города, региона целесообразно производить расчеты и планирование энергосберегающих мероприятий в условном топливном эквиваленте (тонн условного топлива). На отдельных предприятиях предпочтительнее производить расчет достигнутой экономии топлива в натуральных показателях. Объем выбросов каждого из основных загрязняющих веществ и «парниковых» газов может быть определен с нужной степенью детализации при помощи системы удельных показателей (факторов эмиссии, характеризующих выход эмитента при сжигании органического топлива).

13. Перераспределение потоков топлива между различными энергетическими источниками должно осуществляться в зависимости от экологических характеристик топочного процесса (которые учитывают не только вид топлива, но и технологии его подготовки, сжигания и очистки дымовых газов). Чтобы достичь существенного повышения экологической эффективности располагаемых топливных ресурсов, необходимо осуществить перераспределение потоков топлива между тепловыми источниками жилищно-коммунальной сферы и большой энергетики. Твердое топливо следует использовать, главным образом, на крупных энергетических объектах в специально оборудованных высокоэффективных топочных устройствах, гарантирующих высокую полноту сгорания. Напротив, природный газ должен применяться, прежде всего, в бытовых приборах и маломощных энергетических источниках, где процесс горения характеризуется невысоким образованием оксидов азота. Перераспределение должно иметь своей целью вытеснение каменного угля из жилищно-коммунальной сферы и его сжигание в специально приспособленных котельных установках ТЭС. В свою очередь природный газ должен замещаться твердым топливом на крупных теплоэнергетических объектах и распределяться через городские сети для прямого использования населением в бытовых приборах и эффективных энергоснабжающих системах местного назначения. Одновременно, таким образом, будет решаться проблема прекращения экологически опасного слоевого сжигания твердого топлива в домовых печах и мелких котельных.

14.Для осуществления эффективного регулирования качества атмосферного воздуха следует сочетать мероприятия первой и второй категорий. Важнейшим результатом применения этих мероприятий должно стать соблюдение действующих нормативов на выбросы в атмосферу: технических нормативов выбросов (ТНВ) и норм предельно допустимых выбросов (ПДВ). Для получения максимального энергосберегающего эффекта следует производить системный анализ действующих и проектируемых энерготехнологических комплексов, на основании которого должны разрабатываться методы «интенсивного энергосбережения». В ходе разработки необходимо оценивать ожидаемый совокупный экологический эффект. Так при выборе объектов для проведения мероприятий с целью сокращения выбросов парниковых газов (в соответствии с Киотскими соглашениями, в интересах борьбы с глобальным потеплением) целесообразно одновременно предусматривать получаемый результат от сокращения объемов сжигаемого топлива непосредственно для данной местности, а г также для процессов межрегионального и трансграничного переноса загрязняющих веществ.

15. В системе производственного экологического контроля и управления воздухоохранной деятельностью предприятия заслуживают особого внимания комплексные энерготехнологические мероприятия, повышающие эффективность энергопотребления, в результате которых снижаются удельные выбросы при производстве единицы продукции. Одной из задач производственного экологического контроля должна быть систематизация и экологическая интерпретация данных об энергопотреблении. Локальный эффект от внедряемых энергосберегающих мероприятий (экономия расходуемого топлива в промышленной котельной, печи, в заводской ТЭЦ, других топливосжигающих установках) находит свое отражение в экологической отчетности предприятий, показывающей сокращение выбросов. Полученная экономия поставляемых предприятию внешними энергоснабжающими организациями энергоносителей обусловливает экологический эффект, который может быть учтен на городском и региональном уровнях.

16. В оперативном регулировании выбросов при неблагоприятных метеорологических условиях (НМУ) ведущая роль принадлежит мероприятиям первой категории, поскольку они изменяют концентрацию загрязняющих веществ в дымовых газах, но не оказывают существенного влияния на физические параметры выбросов продуктов сгорания (температуру, скорость и объемный расход). Напротив, основной задачей мероприятий второй категории является снижение энергетической нагрузки и сокращение количества потребляемого топлива энергетическим источником. Вследствие этого снижается объемный расход дымовых газов и замедляется скорость истечения газов из дымовой трубы. Это приводит к уменьшению начального подъема дымовой струи над источником и, таким образом, снижается эффективная высота выброса. Поскольку снижение нагрузки энергетического источника при НМУ неоднозначно влияет на загрязнение у земной поверхности, то в общем случае мероприятия второй категории нецелесообразно применять с целью оперативного регулирования (т.е. снижения) выбросов, даже если существует такая техническая возможность.

17.Механизм воздействия на эффективную высоту выброса за счет изменения физических параметров выбросов (в том числе и вследствие изменения нагрузки) создает определенные предпосылки для регулирования наземных концентраций при НМУ первой категории опасности. Так при скорости ветра несколько выше «опасной» целесообразно уменьшать объемный расход дымовых газов (снижая мощность источника), чтобы сократить поступление вредных веществ в атмосферу. И наоборот, если скорость ветра несколько ниже опасной для данной мощности источника, можно использовать преобладающий эффект роста эффективной высоты выброса посредством увеличения объемного расхода дымовых газов. Чтобы реализовать последний способ, необязательно повышать рабочую мощность источника. Помимо собственно увеличения энергетической нагрузки, можно добиться необходимого результата с помощью специальных мероприятий по изменению технических параметров (прежде всего объемного расхода) дымовых газов. Для этого потребуются дополнительные энергетические затраты, на которые может быть направлена, например, часть сэкономленного ресурса, полученного в результате реализации ЭСМ.

18.Для усиления динамического напора дымового факела в периоды НМУ может быть использован резерв производительности дутьевых вентиляторов и дымососов, образующийся в результате долговременной частичной разгрузки мощности энергетического источника. С этой целью в основание дымовой трубы осуществляется присадка необходимого количества подогретого воздуха. Вследствие увеличения эффективной высоты выброса и прямого разбавления дымовых газов достигается снижение приземных концентраций загрязняющих веществ от выбросов данного источника. Изменяя объем вводимой присадки воздуха можно варьировать регулирующее воздействие (например, управляя мощностью тягодутьевых устройств резервного котла).

19.При долгосрочном регулировании выбросов основная роль должна быть отведена росту энергоэффективности и энергосбережению. Полезный результат применения мероприятий этой категории имеет долговременный эффект и заключается в пропорциональном снижению энергетической нагрузки сокращении количества поступающих в атмосферу выбросов всех продуктов сгорания.

20.В сокращении выбросов парниковых газов энергосбережения имеет исключительное значение. Наряду с общими структурными изменениями в экономике, энергосберегающие мероприятия выполняют задачу снижения энергоемкости материального производства, одновременно способствуя исполнению обязательств по Киотскому протоколу.