В результате антропогенной деятельности в промышленно­сти, транспорте, сельском хозяйстве, военно-промышленном комплексе наносится ущерб окружающей среде, обусловленный выделением (эмиссией) вредных токсичных компонентов, теплоты, электромагнитных полей, ионизирующих излучений, шума, вибрации, биологических токсикантов, тяжелых металлов, минеральных удобрений, моющих и поверхностно-активных веществ, нефтепродуктов. В результате совокупного воздействия этих выделений на окружающую среду нарушается один из основных законов экологии - принцип взаимосвязи, взаимодействия человека с окружающей средой, что приводит к ущербу. Ущерб проявляется в сокращении плодородных земель и лесных массивов, загрязнении водного, воздушного бассейна, литосферы и фауны, эрозии почв, создании условий для "парникового" эффекта планеты, разрушении защитного озонового слоя, повышении уровня заболевания человека и снижения его иммунной системы.

Цель данной работы – разработка технических решений по снижению уровня экологического риска при эксплуатации теплоэлектростанций.

В работе поставлены следующие задачи:

·        Дать характеристику ТЭЦ с позиции экологического риска (по цепочке добыча-переработка сырья, строительство, монтаж, эксплуатация, выработка тепла и энергии;

·        Рассчитать выбросы токсических компонентов (пыль, CO, SO₂, NOx ), образующихся при сжигании угля (мазута) на ТЭЦ

·        Дать санитарно-экологическую оценку риска от выхлопных газов ТЭЦ;

·        Расчет ущерба воздушному бассейну от загрязнения токсическими компонентами выхлопных газов ТЭЦ

·        Разработать технические решения по снижению экологического риска

·        Привести расчет предотвращенного ущерба

1. Характеристика ТЭЦ с позиции экологического риска (по цепочке добыча-переработка сырья, строительство, монтаж, эксплуатация, выработка тепла и энергии

Все стороны деятельности  человечества,  в  том  числе  природоохранная деятельность, неразрывно связаны с  производством  и  потреблением  энергии, прежде всего электрической. Однако резкий рост темпов  развития  энергетики, без которого пока что не  мыслим  научно-технический  прогресс,  ставит  две важнейшие  проблемы,  от  решения  которых   во   многом   зависит   будущее человечества.

Во-первых, это проблема обеспеченности энергетическими  ресурсами,  во-вторых, проблема влияния энергетики на состояние окружающей среды.

Энергетика является одной  из  самых  загрязняющих  отраслей  народного хозяйства.  При  неразумном   подходе   происходит   нарушение   нормального функционирования всех компонентов биосферы (воздуха, воды, почвы,  животного и растительного мира), а в исключительных случаях, подобных  Чернобылю,  под угрозой оказывается и сама жизнь. Поэтому  главным  должен  стать  подход  с экологических позиций, учитывающих  интересы  не  только  настоящего,  но  и будущего.

Наиболее распространенной в настоящее время является  теплоэнергетика, обеспечивающая нашу страну 3 / 4  всей    вырабатываемой    энергии.

Теплоэнергетика  основывается  на  сжигании  различных  видов  ТЭЦ  являются  одним  из  основных  загрязнителей  атмосферы   твёрдыми частицами золы, окислами серы азота, другими  веществами,  оказывая  вредное воздействие на здоровье людей,  а  также  углекислым  газом,  способствующим возникновению «парникового эффекта». Процесс накопления углекислого  газа  в атмосфере  будет  усиливать  нежелательную  тенденцию  в  сторону  повышения среднегодовой температуры на планете.

Основными источниками  искусственных  аэрозольных  загрязнений  воздуха также являются ТЭС  и  ТЭЦ,  которые  потребляют  уголь  высокой  зольности.

Аэрозольные частицы отличаются большим  разнообразием  химического  состава.

Чаще всего  в  их  составе  обнаруживаются  соединения  кремния,  кальция  и углерода, реже - оксиды металлов: железа,  магния,  марганца,  цинка,  меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия,  кадмия,  хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще  большее  разнообразие  свойственно органической пыли, включающей  алифатические  и  ароматические  углеводороды соли кислот. Особо большие  скопления  вредных  газообразных  и  аэрозольных примесей  в  приземном  слое  воздуха  являются  одной  из  главных причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.

Фотохимический туман (смог)  –  представляет  собой  многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и  вторичного  происхождения.  В состав  основных  компонентов  смога  входят  озон,  оксиды  азота  и  серы, многочисленные   органические   соединения   называемые    в    совокупности фотооксидантами.

 Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций  при определенных условиях: наличии  в  атмосфере  высокой  концентрации  оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной  радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при  мощной  и в течение не менее суток повышенной инверсии.

Последствиями  накопления  глобальных  загрязнителей  ТЭЦ  в  атмосфере являются: парниковый эффект; разрушение озонового слоя; кислотные осадки.

2. Рассчитать выбросы токсических компонентов (пыль, CO, SO2, NOx ), образующихся при сжигании угля (мазута) на ТЭЦ

Основной формой антропогенных: воздействий на атмо­сферный воздух является его загрязнение посредством выбро­сов загрязняющих веществ в атмосферу.

Загрязняющее атмосферу вещество - примеси в атмо­сфере, которые могут оказывать неблагоприятное влияние на здоровье людей и (или) на окружающую среду

Источник выделения загрязняющего вещества (ЗВ) — технологический аппарат (станок, котлоагрегат, гальваниче­ская ванна и т.п.), в котором в ходе технологического процесса образуется и выделяется ЗВ.

Источник выброса ЗВ - техническое устройство, пред­назначенное для выброса в атмосферу ЗВ (труба, аэрационный фонарь, вентшахта и т.п.)

Исходные данные:

Вид топлива: интауголь

Марка, класс: ДР, Д, Отсев

W^r = 11,5 %

А^r = 31 %

S^r = 3,2 %

Q^r = 17, 54 MДж/кг

Ксо = 7 кг/ГДж

Технические характеристики котла со слоевой топкой:

Расчет производим для котла водогрейного КВ-Р-2,0 – 95 (ТЛО)

Котел водогрейный предназначен для получения горячей воды в системах централизованного отопления, горячего водоснабжения промышленного и бытового назначения, а также для технологических целей при слоевом сжигании твердого топлива.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Теплопроизводительность, МВт(Гкал/час) - 2,0(1,72)

Расход воды, т/ч , не более - 68,8

Давление (избыточное)

воды на входе в котел, кгс/см2 – 7

Температура воды:

на входе в котел, оС – 70

на выходе за котлом, оС – 95

Диапазон изменения нагрузки, % - 25-100

Топливо - Каменные и бурые угли

Влажность топлива,% ,до – 40

Зольность топлива, %, до – 35

Содержание мелочи (0-6 мм), %, не более – 60

КПД, %, не менее – 80

Габаритные размеры (без золоуловителя,

вентилятора и дымососа), мм

длина – 4560

ширина – 2440

высота – 3330

Масса (без золоуловителя, дымососа

и вентилятора), кг – 10500

Удельный расход топлива (расчетное

топливо – Кузнецкий уголь марки 1 СС), кг/ч

Qрн = 5700 ккал/кг - 377

Расчет выбросов твердых частиц летучей золы и недогоревшего топлива (т/год, г/с), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами котлоагрегата в единицу времени при сжигании твердого топлива и мазута, выполняются по формуле:

Мтв = В * А^r * χ (1 - η)

где В – расход топлива, т/год

А^r – зольность топлива, %

χ = а_ул / (100 - Г_ул)

η – доля твердых частиц, улавливаемых в золоуловителях

Расход топлива равен 377 кг/ч или 128,845 т/год

Мтв = В * А^r * χ (1 - η) = 128,845* 0,31*0,118 (1 – 0,032) = 4,56 т/год

χ = а_ул / (100 - Г_ул) = 11,5 / (100 – 3,2) = 0,118

Расчет оксидов серы:

Мso₂ = 0,02* В * S^r (1 – ηso₂) (1- η`so₂)

где В – расход топлива (т/год, г/с)

S^r – содержание серы в топливе в рабочем состоянии, %

ηso₂ – доля оксидов серы, связываемых летучей золой топлива, принимаем равной 0,5

η`so₂ принимаем равной 0

Мso₂ = 0,02* В * S^r (1 – ηso₂) (1- η`so₂) = 0,02*4,56*0,032* (1-0,5)(1-0) = 0,00146 т/год

Расчет выбросов оксида углерода в единицу времени (т/год) равно:

Мсо = 0,001 * Ссо * В (1 – q₄ / 100) = 0,001 * 7* 4,56 * (1-3/100) = 0,031

Количество оксидов азота в пересчетет  на NO₂, выбрасываемых в единицу времени (т/год) равно:

М_{NO 2}  = 0.001 *B * Q^r *K _{NO 2}   (1 - β)

где В – расход топлива (т/год, г/с)

Q^r – теплота сгорания топлива, МДж/кг

K _{NO 2}   - параметр, характеризующий количество оксидов азота, образующихся на 1 ГДж тепла

Β – коэффициент, зависящий от степени снижения выбросов оксидов азота в результате применения технических решений. Для малых котельных, как правило равно 0.

М_{NO 2}  = 0.001 *B * Q^r *K _{NO 2}   (1 - β) = 0,001 * 4,56 * 17, 54* 0,175* 1 = 0,014 т/год

3. Расчет ущерба воздушному бассейну от загрязнения токсическими компонентами выхлопных газов ТЭЦ

Абсолютный ущерб, наносимый выхлопными газами, У, руб/год, воздушному бассейну определяют по формуле:

где γ – константа, численное значение которой равно 2,4*10² на условную тонну выбросов, руб./усл.т.;

σ – показатель относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха над различными территориями, равен 1,2 для Западно-Сибирского региона

f – поправка, учитывающая характер рассеивания примеси в атмосфере.

При скорости оседания примеси со скоростью 0,82 см/с

f = 100/ (100+φ*h) * 4/(1+ υ)

где h – геометрическая высота источника, м

υ – среднегодовое значение модуля скорости ветра на уровне флюгера, м/с, принимается равное 3 м/с;

φ – безразмерная поправка на тепловой объем факела, вычисляемая по формуле:

φ = 1 + ΔТ/75

где ΔТ – среднегодовая разность температур в устье источника и в атмосфере, ◦С

f = 100/ (100+φ*h) * 4/(1+ υ)

Принимаем:

Среднегодовая температура наружного воздуха = -2ºС;

Средняя температура выбрасываемой газовоздушной смеси = 210ºС;

φ = 1 + 212/ 75 = 3,83

f =  (100 /(100+ 3,83 * 0,6)) * 4/(1+3) = 0,977

В населенном пункте г. Новосибирске средняя расчетная плотность населения составляет 2848 чел/км² или 284,8 чел/га σ = 0.1га/чел * n = 0,1

М – приведенная масса годового выброса вредных компонентов выхлопных газов, поступающих в атмосферу, М, т/год, определяется по формуле:

где Аi – безразмерный показатель относительной опасности вредного компонента i-го вида;

Мтв = 4,56 т/год

Мso₂ = 0,00146 т/год

Мсо = 0,031 т/год

М_{NO 2}  =  0,014 т/год

Утв = 2,4*10^{2 *} 1,2^*4,56*0,977 = 1283,07

У so₂ = 0,00146 * 2,4*10^{2 *} 1,2^**0,977 = 0,41

У со = 0,031* 2,4*10^{2 *} 1,2^**0,977 = 8,72

У _{NO 2}  = 0,014 * * 2,4*10^{2 *} 1,2^**0,977 = 3,28

У = 1295,5 руб./год

4. Разработка технических решений по снижению экологического риска

Для предотвращения экологической опасности выбросов предлагается установить установку очистки выхлопных газов котельных.

Установка состоит из четырех основных узлов: 

Узел очистки от сажевых выбросов с размером частиц не менее 2 микрон (степень очистки не менее 99,9%). Начальное сопротивление при газовой нагрузке

700-900 (m3/час)/m2 - 30-50 мм.вод.ст.; 

Узел каталитической очистки от сернистых соединений;

Узел каталитической очистки от окислов азота (NOX );

Узел каталитической очистки от окиси углерода (СО).

Дымовые газы, выходящие из котельной или TЭЦ (после дымососа), поступают на сажевые керамические фильтры, где очищаются от частиц пыли и сажи. Керамические фильтры выполнены в виде сотовых блоков, равномерно укладываемых по высоте и диаметру аппарата. Фильтры, по мере насыщения частицами сажи, подвергаются термической регенерации, либо непосредственно в аппарате, либо после замены на свежие. 

Очищенный таким образом газ поступает сначала в огневой подогреватель, либо в теплообменник, где нагревается до 350-400°С и подается в узел сероочистки. Перед этим газ смешивается с водородом или водородсодержащим газом. Далее в реакторе все сернистые соединения, содержащиеся в газе, на алюмо-кобальт-молибденовом катализаторе превращаются в сероводород, а далее поступают в один из двух реакторов-поглотитеоей, в котором сероводород поглощается окисью цинка. 

Очишенный от сернистых соединений газ поступает в узел очистки от окислов азота. Перед поступлением в реактор газ охлаждается до температуры 230-350С, смешивается в стехиометрическом соотношении с газообразным аммиаком или водородсодержашим газом и поступает в реактор на алюмованадиевый катализатор. В указанном интервале температуры окислы азота восстанавливаются до молекулярного азота. 

Очищенные от окислов серы и азота ДГ поступают в узел очистки от СО, где на никельалюминиевом катализаторе при температурах 300-400°С в присутствии восстановительного газа окись углерода превращается в метан, который после выделения из ДГ может быть направлен на сжигание в топку котла. 

Срок службы катализатора 2-3 года. Все катализаторы серийно выпускаются катализаторными цехами и могут поставляться заказчику в форме сервисного обслуживания. 

Отдельные узлы предполагаемой схемы с успехом эксплуатируются в производствах синтетического аммиака и азотной кислоты. 

Стоимость установки зависит от качественного и количественного состава выходящих газов и газовой нагрузки. Средняя стоимость установки равна 43 млн. руб.  САЖЕПЫЛЕВЫХ ВЫБРОСОВ, ОКИСЛОВ СЕРЫ, АЗОТА И УГЛЕРОДА.

5. Расчет предотвращенного ущерба

Предотвращенный ущерб равен:

1295,5 – 43 000 000 = -42998704,5 руб.

Из приведенного расчета видно, что закупка и установка устройства по очистки выхлопных газов котельных нерационально. Экономический ущерб окружающей среде от выбросов котельной незначителен, а стоимость такой установки стоит значительную сумму денег. 

Заключение

Таким образом, в работе решены следующие задачи:

·        Дана характеристика ТЭЦ с позиции экологического риска (по цепочке добыча-переработка сырья, строительство, монтаж, эксплуатация, выработка тепла и энергии;

·        Рассчитаны выбросы токсических компонентов (пыль, CO, SO₂, NOx ), образующихся при сжигании угля (мазута) на ТЭЦ

·        Дана санитарно-экологическая оценка риска от выхлопных газов ТЭЦ;

·        Произведен расчет ущерба воздушному бассейну от загрязнения токсическими компонентами выхлопных газов ТЭЦ

·        Разработаны технические решения по снижению экологического риска

·        Приведен расчет предотвращенного ущерба

Проведенный расчет показал, что выбросы токсических компонентов составляют:

Твердых частиц: Мтв = 4,56 т/год

Оксида серы: Мso₂ = 0,00146 т/год

Оксида углерода: Мсо = 0,031 т/год

Оксида азота: М_{NO 2}  =  0,014 т/год

Экономический ущерб, наносимый от выбросов окружающей среде составляет 1295,5 руб./ год

В работе было предложено установить установку по очистке выхлопных газов котельных.

В результате расчета экономического предотвращенного ущерба был сделан вывод о нецелесообразности установки. Так как экономический ущерб, наносимый окружающей среде незначителен по сравнению со стоимостью установки.

Список литературы

1. Воронков В.А. Основы общей экологии. – М.: Высшая школа, 1997.

2. Никитин Д.П. Окружающая среда и человек. – М.: Высшая школа, 1980.

3. Минин А.А. Лесной покров Земли. – М.: Знание, 1991.

4.  Кормилицын В.И. Основы экологии. – М. Интерстиль, 1997. –365с.

5. Акимова Т.А. Экология. – М.:ЮНИТИ, 1998.- 455 с.

6. Методическое указания по изучению дисциплины и задания для контрольных работ студентам заочного факультета по направлению 650300 «Геодезия» специальности 300100 «Прикладная геодезия», по направлению 650600 «Землеустройство и земельный кадастр» специальности 311100 «Городской кадастр», по направлению 626500 «Землеустройство и земельный кадастр» специальности 330100 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», по направлению 654700 «Информационные системы», по специальности 013600 «Геоэкология», по специальности 060800 «Экономика управления на предприятии (геодезическом производстве)». – Новосибирск : СГГА, 1998.