Снижение техногенной нагрузки на окружающую среду за счет совершенствования технологии сжигания углей и использования альтернативных топлив

Концентрация промышленных объектов в крупных городах вызывает рост объемов поступающих в атмосферу вредных примесей антропогенного происхождения. Городская среда подвергается мощному прессингу со стороны различных предприятий, которые поставляют в природу токсичные вещества.

Высокая опасность промышленного производства для природы и человека вызвало усиленное изучение последствий влияния деятельности предприятий на окружающую среду. Особенно это относится к предприятиям теплоэнергетики, «вклад» которых в загрязнение атмосферного воздуха по отдельным компонентам превышает 80% валовых выбросов загрязняющих веществ всеми промышленными предприятиями, автотранспортом и другими объектами. [88].

Загрязнение атмосферы и водных источников вредными выбросами предприятий имеет, как известно, целый ряд негативных последствий: увеличивается рост заболеваний населения, падает продуктивность сельского и лесного хозяйства, ускоряется износ основных производственных фондов и т. д.

В связи с этим в практике хозяйствования все большее значение приобретают методы снижения техногенного воздействия на окружающую среду. Наиболее распространенным направлением является производственно-технологическое, связанное с введением новых экологически чистых технологических процессов переработки природных ресурсов, совершенствования двигателей внутреннего сгорания и др.

Другим, не менее важным направлением в области снижения выбросов загрязняющих веществ при работе теплоэнергетических установок, является применение альтернативных видов топлива.

Снижение выбросов загрязняющих веществ может быть достигнуто за счет строительства и эксплуатации различного рода очистных и обезвреживающих установок, а также разработки и внедрения малоотходных технологических процессов.

При оценке экологической опасности промышленного производства существует целый ряд способов. Одним из таких методов является токсикологическое и медико-биологическое направление, когда изучается токсическое действие промышленных отходов на городское население и разработка мер по нейтрализации этого действия.

Определение загрязнителя атмосферы и окружающей среды в целом основывается на разработке критериев и моделей, определяющих степень опасности жизнедеятельности на данной территории. При этом необходимым условием является учет гидрометеорологических условий в данном районе, полная и достоверная информация о параметрах предприятий и источников загрязнения и наличия информационной компьютерной системы, обеспечивающей расчет рассеивания загрязняющих веществ крупных городских территорий с большим количеством источников загрязнителей.

Выбору управлений, наиболее эффективных с точки зрения «природоохранных» и «производственных» критериев, посвящены работы В.В. Пинен-ко и А. Е. Алояна (1985г.). В исследованиях, проводимых Б. Б. Бакирбаевым (1990г.) на примере г. Барнаула, рассмотрены представления о рассеивании загрязняющих веществ в атмосфере [20, 54].

Руководство региона или отдельного города, используя имеющиеся в своем распоряжении методы управления, должно обеспечить соблюдение заданных санитарных ограничений на концентрацию загрязнений.

Актуальность проблемы. Исследования в области прогрессивных технологических процессов по совершенствованию установок сжигания угля и использования альтернативных видов топлива являются в настоящее время наиболее актуальными для предприятий теплоэнергетики. Основной проблемой в совершенствовании пылеугольного сжигания и использовании альтернативных видов топлива является обеспечение жестких экологических требований в соответствии с нормами ГОСТ Р50 831−95 по удельным выбросам вредных веществ с отработанными газами котельных установок.

Одним из подходов в решении этой сложной народнохозяйственной задачи является разработка и внедрение новых прогрессивных, экологически чистых технологий сжигания широкой гаммы топлив. Использование котлов со стационарным и циркулирующим кипящим слоем в решении данной проблемы является весьма перспективным.

Состояние проблемы. На современном этапе проблема взаимодействия энергетики и окружающей среды является весьма острой, многосторонней и требует особо пристального внимания. Значительный интерес для энергетики в области снижения техногенного воздействия на окружающую среду представляют исследования в области использования альтернативных видов топлив и совершенствование технологических процессов сжигания твердого топлива, обеспечивающих снижение выбросов в атмосферу загрязняющих веществ (ЗВ). Одним из основных преимуществ метода сжигания в кипящем слое, вариант которого предлагается в диссертационной работе, является высокая эффективность связывания диоксида серы путем подачи в слой СаСОз и отсутствие образования оксидов азота воздуха («термических»). Наладка и испытания систем подготовки, подачи топлива и СаСОз показывают, что основные трудности связаны с низкой надежностью дозирования топлива и СаСОз из бункеров, поскольку транспортные трубопроводы забиваются топливом. Решения этой проблемы, предложенные диссертантом, является очень перспективным.

Несмотря на то, что отечественная технология сжигания топлива в стационарном кипящем слое стала развиваться одновременно с аналогичными работами в США, Германии и другими странами, в России практически не освоено ни одного мощного энергетического котла с кипящим слоем. В связи с этим, особое место в разработке и освоении экологически чистой технологии сжигания 5тля занимает первый отечественный котел этого класса БКЗ 420−140 КС.

Выбор материала для наполнения слоя секций котла с кипящем слоем является одним из основных вопросов при разработке системы подготовки и подачи наполнителя. В связи с этим исследования дозирования и транспортирования наполнителя слоя (шлак) в секции котла БКЗ 420−140 КС являются важнейшим элементом в обеспечении эффективной его работы.

Наличие достоверной информации о состоянии воздушного бассейна необходимо для осуществления системы контроля за концентрациями загрязняющих веществ и системы управления технологическими режимами источника выброса — предприятия теплоэнергетики. Получение такой информации может быть достигнуто при использовании усовершенствованной и достаточно простой математической модели, определяющей состояние загрязняющих веществ в атмосфере и показателей рассеивания их в приземном слое. Обоснование преимуществ применения информационной системы «Атмосфера-Алтай», созданной коллективом ИВЭП для расчета рассеивания загрязняющих веществ от большого ряда предприятий и источников выброса, является перспективным направлением для определения техногенного воздействия на окружающего среДУ.

Цель работы заключается в использовании комплексного подхода к решению сложных экологических проблем в энергетике путем применения альтернативных видов топлива, разработки и внедрения экологически чистых технологий сжигания углей в топках с кипящим слоем. Для этого проведены исследования техногенного воздействия предприятий теплоэнергетического комплекса на окружающую среду и выполнен анализ экологической ситуации с использованием математических моделей и информационных систем, позволяющих получать наиболее достоверные результаты.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— разработана и освоена для промышленного использования технология по подготовке и сжиганию углей с пониженной зольностью, высоким содержанием влаги и серы в топках котлов с кипящим слоем;

— обоснован с экологических и технических позиций перевод ПВК на ТЭЦ-3 г. Барнаула на использование в качестве топлива природного газа, что позволило уменьшить уровень загрязнений диоксидами серы и азота в 5 раз;

— на основании ГИС «Атмосфера-Алтай» проведена экологическая экспертиза воздействия на окружающую среду при переводе ПВК на газ и внедрении на ТЭЦ-3 разработанной технологии подготовки и сжигания углей в топках с кипящим слоем. Предложенные технологические решения позволили снизить уровень загрязнений Ж) х на 18%, 802 — на 60%;

— разработан комплекс нестандартного технологического оборудования для сушки, двухступенчатого дробления и подачи шлака в качестве наполнителя кипящего слоя пневмовинтовыми насосами в трубопровод;

— изучен процесс дозирования угля и шлако-наполнителя кипящего слоя. Разработаны режим и трассы транспортировки угля и шлако-наполнителя сжатым воздухом в секцию котла, обеспечивающие эффективную работу системы питания котла;

— на основании исследований работы систем питания котла теоретически обоснована возможность дозирования шлака разработанными пневмовинтовыми насосами с регулируемой частотой вращения. Уточнены формулы и коэффициенты по расчету производительности и мощности электроприводов;

— по результатам обработки экспериментальных данных теоретически обосновано определение коэффициентов сопротивления чистого воздуха и запыленных двухфазных потоков о стенки трубопроводов. Рассчитаны подобные пневмотранспортные системы для серийных котлов и других энергетических установок с новыми технологиями сжигания твердого топлива;

— исследована работа первого отечественного котла БКЗ 420−140 КС со стационарным кипящим слоем. Выполнен анализ экологических характеристик технологии сжигания углей, который показал высокую эффективность связывания диоксида серы и отсутствие образования оксидов азота при подаче в кипящий слой наполнителя СаСОз.

Практическая ценность. Результаты системных исследований, проведенных на ТЭЦ-3 на первом отечественном котле БКЗ 420−140 КС со стационарным кипящим слоем, с использованием новых альтернативных видов топлив, а также систем подачи топлива и наполнителей слоя определяют:

— реальное улучшение экологических показателей при эксплуатации котлов со стационарным кипящем слоем на электрои теплоэнергетических установках и при использовании на ПВК природного газа в качестве топлива;

— научно-методическую основу формирования исходной информации по определению рациональных путей создания и совершенствования эколого-обеспечивающих технологий в составе теплоэнергоблоков;

— ряд преимуществ котла с кипящем слоем по сравнению с серийными котлами типа БКЗ 420−140-ТП-2: меньшие габариты по высоте (10 м), сокращенная на 25% металлоемкость поверхностей нагрева, сокращенные на 20−25% выбросы оксидов азота и высокое (на уровне 80%) связывание серы за счет оксида кальция, содержащегося в золе канско-ачинских углей;

— использование в качестве наполнителя шлака от пяти работающих котлов БКЗ 420−140-ТП2, что позволяет исключить его гидротранспорт на золоотва-лы поймы р. Оби и снизить неблагоприятное воздействия на экологическую обстановку этого района г. Барнаула;

— впервые в отечественной энергетике разработку технологических систем и нестандартного оборудования для подготовки, подсушки, транспортировки сжатым воздухом и подачи в секции котла БКЗ 420−140 КС топлива и наполнителя слоя.

Полученные результаты экспериментальных исследований опытно-промышленной установки с котлами кипящего слоя и пневматической системой дозировки и транспортировки материалов обобщены с позицией информационного обеспечения системного анализа.

Достоверность. Изготовлены действующие модели отдельных систем энергоблока. Апробация промышленного котла БКЗ 420−140 КС, оснащенного разработанными системами, подтвердила заложенные в них принципы экологической безопасности. Достоверность результатов диссертационной работы обусловлена использованием методологии системных исследований в энергетике, и обоснована математическим моделированием рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в двенадцати печатных изданиях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных и практических конференциях: «Достижение науки и техники — развитию Сибирских регионов» (Красноярск, 1999 г.), «Гуманизм и строительство на пороге третьего тысячелетия» (Барнаул, 1999 г.), «Наука — городу Барнаулу» (Барнаул, 1999 г.), на научно-технических семинарах ЦКТИ (Москва, 1998;1999 г. г.) на конференциях и научнометодических семинарах кафедр «Безопасность жизнедеятельности», «Детали машин» АлтГТУ.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследований по совершенствованию технологии сжигания углей и использования альтернативного топлива, позволяющие обеспечить жесткие требования по удельным выбросам загрязняющих веществ, определенные в ГОСТ Р 50 831−95.

2. Анализ экологической ситуации и распределения метеоэлементов, позволяющий провести картографирование для промышленных зон г.

Барнаула и рассчитать рассеивание загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы.

3. Результаты проведения пусконаладочных работ на первом отечественном котле БКЗ 420−140 КС, смонтированном на ТЭЦ-3 г. Барнаула, с реализацией подсушки, дробления и подачи шлака в качестве наполнителя кипящего слоя пневмовинтовыми насосами в трубопровод с последующим транспортированием сжатым воздухом в секцию котла.

4. Исследования сушилки наполнителя кипящего слоя, показавшие высокую эффективность использования в качестве сушильного агента отходящих газов котла с температурой 130 °C.

5. Графоаналитические исследования механизма движения топлива и сорбентов в межвитковом пространстве пневмовинтового насоса, позволившие оценить процессы сложного движения материалов в быстроходном шнеке насоса.

6. Анализ затрат мощности пневмовинтового насоса на перемещение топлива и сорбентов в транспортный трубопровод котла БКЗ 420−140 КС, позволивший уточнить формулы расчета мощности и производительности насоса электропривода.

7. Результаты расчетов рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы, проведенные по ГИС «Атмосфера-Алтай» с использованием для ранжирования территории значения комплексного индикатора загрязнения атмосферы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения (акты о внедрении и использовании). Текст диссертации изложен на 136 стр., содержит 13 таблиц и 22 рисунка.

Основные результаты и выводы.

1. Установлено, что совершенствование технологии пылеугольного сжигания и использование альтернативных видов топлива позволяют существенно улучшить экологическую обстановку по удельным выбросам загрязняющих веществ в г. Барнауле.

2. Разработана и освоена для промышленного использования экологически чистая технология по подготовке и сжиганию углей с пониженной зольностью, высоким содержанием влаги и серы в топках котлов с кипящим слоем, а также обоснован с экологических и технических позиций перевод ПВК на ТЭЦ-3 г. Барнаула на использование природного газа в качестве топлива. Предложенные технологические решения позволили снизить уровень загрязнения Ж) х на 18%, 502 на 60%.

3. На Барнаульской ТЭЦ-3 смонтирован первый отечественный котел БКЗ 420−140 КС. В ходе проведения пусконаладочных работ предложена и осуществлена подсушка шлака, его двухступенчатое дробление и подача в качестве наполнителя слоя пневмовинтовыми насосами в трубопровод с последующим транспортированием его сжатым воздухом в секцию котла с кипящим слоем.

4. Проведена опытная проверка сушилки наполнителя кипящего слоя. Установлена высокая эффективность использования в качестве сушильного агента уходящих газов котлов с температурой 130 °C.

5. Выполнен анализ затрат мощности пневмовинтового насоса на перемещение топлива и сорбентов в транспортный трубопровод котла БКЗ 420−140 КС, что позволило уточнить формулы расчета мощности и производительности насоса электропривода. Результаты исследований и полученные формулы использованы при расчете и разработке новых пневмовинтовых насосов для подачи топлива и сорбентов в кипящий слой Череповецкой и Несветай ГРЭС.

6. Графоаналитические исследования механизма движения топлива и сорбентов в межвитковом пространстве пневмовинтового насоса позволили установить зависимость процессов сложного движения материалов в быстроходном шнеке насоса с учетом изменении угла подъема витков и частоты вращения шнека, коэффициента трения материала.

7. Расчет уровня загрязнения по значению ПДК, проведенный индивидуально для ТЭЦ-3 по программе «ПДВ-Атмосфера» — «Логос» показал, что при переводе ПВК на природный газ выбросы (802 + Ж) х) сокращаются в 5 раз (с 1.27 до 0.28 ПДК). Это позволит уменьшить уровень выбросов загрязняющих веществ и снизить ущерб, причиненный загрязнением атмосферы, на 85%.

8. Расчеты рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы, проведенные по ИС «Атмосфера-Алтай» показали, что при суммарном воздействии 148 предприятий — загрязнителей города внедрение предложенных мероприятий на ТЭЦ-3 позволит уменьшить область с высокой степенью загрязнения на 0.4 кв. км, а с повышенной степенью загрязнения — на 5.8 кв. км.