Проблемы экологии в энергетике Украины

Содержание

Предисловие …………………………………………..………	1
Введение ……………………………………...………………..	2
Проблемы экологии в энергетике Украины и пути их решения …………………………………………………..….	3
Перспективные воздухоохранные технологии в энергетике…...……………………………………………….…….	5
Сокращение выбросов твёрдых частиц в атмосферу.	7
Эффектные методы снижения выбросов оксидов азота в атмосферу газомазутными котлами ТЭС…...	9
Рассеивание и трансформация некоторых веществ в атмосфере………………………………………….…………	10
Основные загрязнители атмосферного воздуха.…..…	12
Выброс в атмосферу твёрдых частиц………………..…	15
Оксиды серы...…………………………………………..……..	16
Оксиды азота..……………………………………….….……	17
ПДК оксидов азота в атмосферном воздухе населённых пунктов..……………………………………………..…...	18
Кислотные дожди..…………………………………………...	20
Оксид углерод.……………………………………………..….	21

Экология – это древнее слово, что означает «семья, домашнее хозяйство». Экология изучает взаимоотношения организмов друг с другом и с изменяющимися условиями окружающей среды.

Предисловие. Защита атмосферного воздуха от загрязнения является одной из наиболее острых проблем современности. К настоящему времени достигнуты значительные успехи в борьбе за снижение содержания отдельных веществ в воздухе. Но углубление урбанизации приводит к увеличению газообразных выбросов (оксидов углерода, азота и серы), поступающих главным образом с продуктами сгорания топлива, в воздушном бассейне городов. Методы, исключающие или снижающие поступление в атмосферный воздух таких токсичных веществ, образующихся в процессе горения, как оксиды азота, оксид углерода, альдегиды, не освещены в достаточной мере.

Несмотря на то, что на долю природных источников загрязнения воздуха приходится свыше 50% соединений серы, 93% оксидов азота, значительная доля оксида углерода и ряд других загрязнителей, всё же наибольшую опасность создают искусственные источники загрязнения воздуха, связанные с деятельностью человека.

В отличие от природных искусственные источники загрязнения отличаются крайней неравномерностью распределения. Более значительная неравномерность распределения концентрации загрязнителей отмечается между сельскими и городскими местностями. Большим городам обычно соответствует более высокое содержание загрязнителей в воздухе.

Автомобили, речные, морские суда и самолёты являются наиболее мощными источниками поступления в атмосферный воздух вредных веществ.

 

 

 

 

 

Введение

Состояние генерирующего оборудования ТЭС Украины в настоящее время характеризуется высокой степенью физического и морального износа. Большая часть ТЭС была спроектирована и введена в эксплуатацию в 1960-70-е годы. Оборудование всех электростанций не соответствует современным экологическим требованиям.

К тому же, за последние 20 лет резко ухудшилось качество угля, поставляемого на электростанции. Так, средняя зольность угля составляет 35-40%, а в ряде случаев возрастает до 60%, сернистость достигает 3%. Котельные агрегаты не приспособлены для сжигания угля такого качества и способны работать только с подсветкой газом или мазутом. В связи с тем, что Украина не имеет собственных промышленных ресурсов газа и нефти, энергетика в дальнейшем вынуждена ориентироваться только на использование низкокачественного отечественного угля.

При работе на низкокачественном топливе газоочистное оборудование работает в непроектном режиме, в связи с чем имеет место недостаточная степень очистки дымовых газов. Большинство электростанций оборудованы морально устаревшими установками золоулавливания. Эффективность работы установок мокрого золоудаления (скрубберов) составляет 89-93%. Средняя эксплуатационная степень очистки дымовых газов электрофильтрами составляет 95-98%.

Установки серо- и азотоочистки на электростанциях отсутствуют, и до настоящего времени их промышленное изготовление в Украине не начато.

 

 

Проблемы экологии в энергетике Украины

и пути их решения

 

Украина – одна из крупных стран Европы: 52 млн. человек проживают на территории 603,7 кв. км. Народное хозяйство Украины представляет собой сложную экономическую структуру, отягощенную чрезмерным объёмом отраслей тяжёлой промышленности. Это, в свою очередь, обуславливало существование высокоразвитого комплекса по производству, распределению и сбыту электрической и тепловой энергии.

В настоящее время установленная мощность электростанций составляет 55,1 млн. кВт.

С начала 90-х годов в результате разрушения единого народно-хозяйственного комплекса бывшего Союза, начался беспрецедентный спад производства и сопутствующие кризисные явления во всех сферах экономической жизни страны.

В существующих условиях отрасли топливно-энергетического комплекса, имея негативное влияние на стабилизацию экономики Украины, сами оказались в исключительно тяжёлом состоянии.

Состояние генерирующего оборудования ТЭС в настоящее время характеризуется высокой степенью физического и морального износа. Большая часть ТЭС была спроектирована и введена в эксплуатацию в 60-70-е годы. Оборудование всех электростанций не соответствует современным экологическим требованиям.

Предприятия энергетики относятся к основным загрязнителям воздушного бассейна. На их долю приходится свыше 30% выбросов вредных веществ от общего объёма выбросов стационарными источниками, в том числе 59% окислов серы, 27% золы, 12% окислов азота.

По данным Европейской Экономической Комиссии ООН общие выбросы серы Украиной составляют 7% всех европейских выбросов этого загрязнителя.

13 основных украинских электростанций (Криворожская, Змиёвская, Старобешевская, Запорожская, Кураховская, Углегорская, Бурштынская, Трипольская, Луганская, Приднепровская, Ладыжинская, Зуевская и Славянская) включены ею в список 100 наиболее крупных источников загрязнения атмосферы Европы диоксидом серы. В списке 100 крупнейших источников Криворожская и Бурштынская ТЭС занимают 14 и 15 места по мощности выбросов диоксида серы.

Общее снижение техногенного воздействия на атмосферный воздух до недавнего достигалось за счёт увеличения доли газа в топливном балансе ТЭС, а в последнее время – преимущественно как следствие деструктивных явлений в экономике. Доля газа в общем расходе органического топлива достигла 49,7%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перспективные воздухоохранные технологии в энергетике

 

Качество окружающего нас воздуха влияет на здоровье людей, развитие животных и растений, на состояние зданий и сооружений. Основными загрязнителями атмосферы при работе тепловых электростанций являются образующиеся при сжигании топлив оксида азота, серы и летучая зола. Эти вещества рассеиваются в атмосфере и претерпевают в ней химические превращения. Их негативное действие носит локальный, иногда региональный характер. Выбросы золы, NO_x, SO₂, а также в разной степени токсичных продуктов неполного сгорания регламентируются действующими в стране стандартами.

Атмосферу могут загрязнять также летучие вещества, выделяющиеся при хранении угля на открытых складах, выпары мазутных баков, унос из градирен (если вода обрабатывается токсичными присадками), тяжёлые металлы и микроэлементы.

Сжигание органических топлив, содержащих углерод, связано с образованием CO₂. Его накопление в атмосфере вызывает опасения насчёт глобального изменения климата (потепления).

Наиболее важными факторами при развитии воздухоохранных технологий в энергетике являются:

-     виды и свойства энергетических топлив;

-     экологические стандарты;

-     состояние экономики страны.

Природный газ, не содержащий золы, соединений серы и азота, является экологически наиболее чистым топливом.

Наибольшие выбросы, прежде всего летучей золы, характерны для угольных ТЭС. Они особенно велики в России, т. к. на электростанциях у нас используются главным образом высокозольные необогащённые угли. В углях содержится связанный азот и сера.

Нормирование выбросов от действующих на ТЭС котлов должно быть более гибким. Не стоит, например, устанавливать новые нормативы для тех из них, которые будут выводиться из эксплуатации. Для остальных нормативы удельных выбросов целесообразно устанавливать по лучшим экологическим показателям, достигнутым в эксплуатации с учётом мощности котельных установок, сжигаемого топлива, возможностей размещения нового и показателей имеющегося пылегазоочистного оборудования, дорабатывающего свой ресурс.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сокращение выбросов твёрдых частиц в атмосферу

 

Для обеспечения требуемых нормативами выбросов твёрдых частиц в атмосферу необходима установка на ТЭС золоуловителей с эффективностью от 98,6 до 99,8%.

Необходимые для глубокой очистки дымовых газов от золы технологии и оборудование освоены и широко применяются. Наиболее эффективными являются электрические и тканевые фильтры, обеспечивающие конечную запылённость очищенных газов на уровне 10-25 мг/м³. Для этого скорости газов в активной зоне многопольных горизонтальных электрофильтров поддерживают £ (0,8 – 1,0) м /с, а время пребывания в ней £ 30 с.

Котлы многих действующих ТЭС оснащены мокрыми золоулавливателями. Они просты, системы с ними в 2-3 раза дешевле, чем с электрофильтрами и нормально работают на продуктах сгорания углей, золы которых содержат не более 15% СаО. При больших концентрациях Са в мокрых аппаратах могут образовывать отложения. Разновидностью мокрых золоулавлевателей являются внедряющиеся в последние годы на ТЭС батарейные эмульгаторы. Стоимость их, однако, существенно выше не только скруберов, но и электрофильтров. В мокрых аппаратах обоих типов возможно достижение высоких степеней золоулавливания – до 99-99,8%. Однако это требует увеличения интенсивности орошения до 0,25-1,3 л /м³, которое приводит к увеличению аэродинамических потерь (до 1,2 кПа) и снижению температуры дымовых газов до точки росы дымовых паров.

 Радикальным путём уменьшения выбросов золы в атмосферу является оснащение отечественных ТЭС электрическими и рукавными фильтрами, соответствующими современному мировому уровню. Уже имеются примеры установки высокоэффективных электрофильтров западных фирм действующих ТЭС. Электрофильтры должны применяться не только для вновь разрабатываемых ТЭС, но и для технически перевооружаемых.

Во многих случаях существенного снижения выбросов золы удаётся достичь с помощью паллиативных мер. Для этого разрабатывают различные способы подготовки дымовых газов перед электрофильтрами. Наиболее простым является снижение их температуры путём отвода тепла в пароводяной контур в теплообменных аппаратах или прямого впрыска воды. Дополнительный эффект возникает если это стоки химводоподготовки.

Уже несколько лет эксплуатируется рукавный фильтр производительностью 9,1x10⁶ м³/ч. На нём получены вполне удовлетворительные показатели: эффективность улавливания 99,5-99,7%, потери давления меньше 1,5 кПа. Фильтр нормально регенерировался, работал при температурах газов до 180 С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эффективные методы снижения выбросов оксидов азота в атмосферу газомазутными котлами ТЭС

 

Оксиды азота снижают урожайность сельскохозяйственных культур, инициируют ряд опасных фотохимических реакций в атмосфере, «съедают» озон в дымовой струе электростанций и способствует увеличению озона до опасных концентраций на больших расстояниях от электростанций в сельскохозяйственных районах (юг Украины, Крым). Кроме того, для Украины, Белоруссии и ряда районов России имеет значение подкисление верхнего слоя почв и усиление сорбции радионуклидов в поверхностном слое. Актуальной проблемой теплоэнергетики Украины является эффективное снижение выбросов оксидов азота при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах.

Энергетика Украины поставляет в атмосферный воздух свыше 60% сернистого ангидрида и свыше 50% оксидов азота от общего выброса стационарными установками.

Ещё в 70-х годах полагали, что кислотные дожди определяются на 90-92% оксидами серы и лишь на 8-10% оксидами азота. Однако в 80-90-е годы в связи с увеличением доли природного газа, вводом в некоторых странах Европы систем сероочистки, а также с развитием автотранспорта, вклад оксидов азота в образование кислотных дождей увеличился в несколько раз и составляет 20-57%.

Обычно оксиды серы и азота находятся в атмосферном воздухе до 2-5 суток, перемещаясь с потоками воздуха на расстояния до 1000 км.

 

Рассеивание и трансформация некоторых веществ в атмосфере

 

Вещества	Масштабы трансформации Расстояние, км Время
NO	10	1 час
NO2	100-200	2 суток
HNO3	До 1000	4 суток
SO2	100-200	2 суток
H2S	100	1сутки
H2SO4	До 1000	5 суток
CH4	В глобальном масштабе	10 лет

 За это время происходит их превращение в кислоты и сток из атмосферы с осадками в почву и поверхностные воды, главным образом, в виде слабых растворов серной, сернистой, а также азотной и азотистой кислот.

NO + O₃ NO₂ + O₂

NO + HO₂ NO₂ + OH

2NH₂ + H₂O ^{поверхность} HNO₂ + HNO₃

Азотная кислота оказывает существенное влияние на образование кислотных дождей. Если для ряда стран Европы её вклад в кислотные дожди 10-20%, то для Украины вклад оксидов азота в кислотные дожди находится в пределах от 35 до 50%. При этом имеется выброс с Украины на территорию России, Белоруссии, Турции, Молдовы и других стран и поступление оксидов азота из Германии, Польши, Румынии и других стран в соизмеримых количествах. Перенос оксидов азота с территории Германии в Украину, обычно в 5-7 раз превышает обратный перенос.

В 1991-94 годы за счёт снижения выработки электроэнергии и применения мероприятий по снижению образования оксидов азота выброс снизился на 36%.

Оксиды азота при горении топлив образуются по трём механизмам: «термическому», «топливному» и «быстрому». При сжигании газов образования оксидов азота идёт по двум основным механизмам: «термическому», разработанному Я.Б. Зельдовичем, имеющему очень сильную зависимость от температуры и «быстрому». Для «быстрого» механизма, разработанного С. Фенимором характерны:

а) слабая зависимость от температуры;

б) сравнительно сильная зависимость от избытка окислителя;

в) образование в начальной зоне горения.

Приведённые в Институте газа экспериментальные исследования позволили подтвердить взаимосвязь выхода «быстрых» NO с содержанием HCN в пламенах, а также подтвердить, что выход «быстрых» оксидов азота зависит от состава газообразных топлив.

По данным исследований, проведённых на специально сконструированной установке, позволяющей выделить «быстрые» NO_x, их концентрации при сжигании CO и H₂ существенно ниже, чем при горении метана и других углеводородных газов.

 

 

Основные загрязнители атмосферного воздуха

 

Загрязнители	Основные источники		Среднегодовая концентрация в воздухе мг / м3
	природные	искусственные
Твёрдые частицы (пыль, зола и др.)	Вулканические извержения, пылевые бури, лесные пожары, испарения морской соли и др. (94% от общего количества)	Сжигание топлива в промышленных и бытовых установках	В городских районах 0,04-0,4
Сернистый ангидрид	Вулканические извержения, окисление серы и сульфатов, рассеянных в море (50% от общего количества)	Сжигание топлива, нефтепереработка, чёрная и цветная металлургия	В городских районах до 0,5-1
Оксиды азота	Лесные пожары (93%)	Окисление атмосферного азота и азота топлива при высокой температуре – энергетика, промышленность, автомобили	В районах с развитой промышленностью и автотранспортом – до 0,2, в других до 0,05
Оксид углерода	Лесные пожары, выделения океанов, окисление терпенов (5-10% от общего количества)	Неполное сгорание топлива (автомобили, промышленность)	1-50 (в зависимости от интенсивности автотранспорта, близости металлургических производств)
Летучие углеводороды и их продукты	Лесные пожары, поступления природного метана (из почвы болот) и природных терпенов	Неполное сгорание органического топлива (автомобили), дожигание отходов, испарения растворителей и продуктов нефтепереработки	В районах с развитым автотранспортом и промышленностью – до 3

 

Весьма существенное значение имеет химический состав пыли. Например, содержание оксидов кремня в пыли более 10% делает её опасной для здоровья человека. По данным М. С. Гольденберга содержание оксидов кремня в пыли в воздухе большого города составляет 20,1-22,8%.

Б. П. Гуринов и Н. Я. Янышева, проводившие обследования загрязнения воздуха в районе одиннадцати ТЭЦ (теплоэлектроцентраль), работающих на угле, обнаружили, что максимальные концентрации твёрдых частиц в атмосферном воздухе имеют место на расстояниях в 8-10 раз больших высоты трубы. При отсутствии средств пылеулавливания в котельных установках малой производительности со слоевыми топками выброс твёрдых частиц в атмосферу соизмерим с выбросом их на ТЭЦ. Однако при слоевом сжигании только 3% выбрасываемых частиц имеет d < 10 мкм, а при пылеугонном – не менее 20-45%. При отсутствии систем пылеулавливания твёрдое топливо (уголь) поставляет в атмосферу в 100-200 раз больше твёрдых частиц, чем жидкое топливо. Выбросы твёрдых частиц в атмосферу всё ещё являются одним из наиболее серьёзных видов загрязнений, вносимых процессами горения в атмосферу городов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выброс в атмосферу твёрдых частиц

 

Потребитель топлива	Уголь		Жидкое топливо		Природный газ
	Кг/Гкал	%	Кг/Гкал	%	Кг/Гкал	%
Электростанции	1,83	100	0,102	5,6	0,0255	1,4
Промышленные котлы и печи	1,83	100	0,102	5,6	0,0312	1,7
Жилые здания, домовые котельные	1,83	100	0,151	8,2	0,0330	1,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оксиды серы

 

Одним из наиболее крупных и трудно поддающихся отчистке загрязнителей атмосферного воздуха, выбрасываемых главным образом энергетическими установками, являются оксиды серы. Ежегодный выброс в нижние слои атмосферы превышает 150 млн. т; при этом от 60 до 80% этого количества выбрасывается с продуктами сгорания котлов и печей.

Оксиды серы, а также образующиеся при их соединении с водяными парами кислоты оказывает вредное воздействие на здоровье людей, вызывает разрушение стальных конструкций и строительных материалов, снижение прозрачности атмосферы, гибель хвойных лесов и плодовых деревьев, снижают урожайность сельскохозяйственных культур. Диоксид серы нарушает процесс фотосинтеза и дыхания, вызывает острые и хронические повреждения листьев. Растения ещё более чувствительны к оксидам серы, чем человек.

Вредное воздействие оксидов серы на растения резко увеличивается при наличии в атмосфере диоксида азота и повышении влажности.

У нас в стране заканчивается строительство опытно-промышленной аммиачно-циклической системы очистки от оксидов серы на Дорогобужской ТЭС производительностью 1млн м³/ч. ТЭС сжигает подмосковный бурый уголь с содержанием серы 2,5-3%, в качестве конечного продукта будет получаться жидкий сернистый ангидрид. В течение нескольких лет на одной из ТЭС работает оригинальная опытно-промышленная установка одновременной очистки от оксидов серы и оксидов азота путём подачи озона в скруббер. Установка обеспечивает очистку газов по сернистому ангидриду до 90%, по оксидам азота до 65%.

Оксиды азота

 

В ряду основных загрязнителей атмосферного воздуха специальное место занимают оксиды азота. В связи с тем, что большинство приборов и методов измерения основано на определении диоксида азота с предварительным доокислением оксида в диоксид, а также вследствие того, что до 1983 года были установлены нормы только на содержание оксидов азота в атмосферном воздухе, обычно фиксировалась сумма оксидов азота (NO₂ + NO₂ = NO_x). До 1950-1960 годов исследование оксидов азота как загрязнителей атмосферы, выбрасываемых с продуктами сгорания топлива, практически не проводилось, и всё внимание было сосредоточено на твёрдых частицах (зола, пыль, сажа) и сернистом ангидриде. Между тем, как показали исследования, проведённые ещё в 1960-х годах, содержание оксидов азота определяет токсичность продуктов сгорания угля и мазута на 40-50%, а природного газа на 90-95%. Валовой выброс оксидов азота в атмосферный воздух в различных регионах и городах составляет 6-8% общего выброса всех вредных веществ, уступая лишь выбросу оксида углерода, оксидов серы и твёрдых частиц.

До 1980-х годов во всех исследованиях по образованию оксидов азота в процессах горения исходили из следующих предпосылок.