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»

 

 

Принят ___________________________ « ___ » _____________ 2014 год ____________________________ подпись

Проверен   « ___ » ____________ 2014 год _________________________ подпись преподавателя

 

 

 

 

 

Расчетно-графическая работа

по дисциплине экспертиза проектов

На тему: «Загрязнение и очистка воздуха от тепловых электростанций»

12 вариант

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                   Выполнил:

ст. группы

 

Шифр_№

Проверил:

д.т.н., доц.

 

 

 

 

2014 Г.

 

Содержание

 

Данные для расчетно-графической работы	2
Основные экологические проблемы на предприятиях теплоэнергетики	3
Основное направление в решении экологических проблем теплоэнергетики	4
Расчет	5
Методы очистки газов	10
Химическая, физическая и токсикологическая характеристика диоксида серы	14
Список использованной литературы	15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.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.

 

 

2. 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 100000 га

Страна	Удельный поток   потребляемой энергии	Индекс антропогенной нагрузки
Мир в целом	22	1,0
Нидерланды	914	41,5
Германия	418	19,0
Великобритания	355	16,1
Япония	352	16,0
Бывший СССР	25	1,1
Россия	16	0,7

 

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.

 

3. 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                  ƒ =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 =  2,2  для 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. 
8. 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 ƒ1m1и 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>

9.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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Расчет ПДВ:

= 1772

         Данное значение превышает ПДК выброса в окружающую среду, поэтому необходимо установить очистное оборудование.

 

		ветер	ветер			ветер	ветер		ПДВ
0,783	1364,41	0,239	64,12	2373	855	3512,04	4959	633	1772	0,5

 

 

4. 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.

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

      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.

          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.

 

 

 

 

5. 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.