Развитие энергетики России Тепловые станции Экологический аспект Электрофильтры Регенеративные методы Математическое моделирование экологических систем Аварийные ситуации на АЭС

Введение в экологию энергетики

Котлы с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС)

 Кипящий слой характеризуется интенсивностью дутья, превышающей предел устойчивости плотного слоя, но далеко не достигающей скорости витания частиц крупных размеров. При этих условиях все частицы в слое интенсивно перемешиваются, двигаясь вверх и вниз, но, при этом, слой имеет относительно четкую верхнюю границу. Процесс горения организован и проходит в две фазы (ступени). В качестве первой ступени топки используется сам слой, где происходит прогрев, подсушка и выделение горячих газов. Второй ступенью топки является камера дожигания газа и частиц уноса, выдаваемых слоем. Частицы уноса не успевшие сгореть во второй ступени, улавливаются на выходе из топочного пространства и возвращаются в слой, таким образом можно довести выгорание топлива до 99,5% и выше [60].

 Химические механизмы подавления выбросов NOX и SO2 аналогичны описанным в предыдущих разделах. В этом смысле, в котлах ЦКС, отличия вызваны лишь конструктивными особенностями, при этом можно добиться связывания сернистого ангидрида на уровне 90...98% [32]. В то же время, котлы ЦКС характеризуются низким образованием окислов азота (по сравнению с факельным сжиганием) из-за низких температур слоя (700...950О С). [8, 32, 135]

 Из мировой практики известны три модификации топок с ЦКС - это Лурги, Пирофлоу и Циркофлюид. (Всего в мире эксплуатируется и строится немногим более 220 котлов [53]).

 В целом котлы с ЦКС выглядят весьма перспективно, однако их внедрение требует больших капиталовложений и, в этой связи, не решает проблемы снижения вредных выбросов на действующих станциях.

Усовершенствование методов факельного сжигания

 Факельный метод сжигания - самый распространенный в энергетике страны. В то же время он является и самым небезопасным с экологической точки зрения. Выбросы, например, оксидов азота могут составлять 800...1100 мг/м3 и больше [25, 61, 116]. В этой связи безусловно требуется проведение мероприятий по реконструкции действующего оборудования и проектированию нового с учетом современных экологических требований. Среди них предпочтение в основном отдается (как наиболее дешевым и позволяющим проводить реконструкцию действующих ТЭС) организации ступенчатого сжигания на основе совершенствования горелочных устройств и внедрения систем подачи пыли высокой концентрации (ПВК). В то же время, перспективными являются и некоторые другие способы:

регулирование температур в топке путем ввода пара, аммиака, газов рециркуляции и т.п.;

регулирование температур в топке путем разделения ее двухсветными экранами;

предварительный подогрев топлива до высоких температур;

некоторые другие.

 Ступенчатое (стадийное) сжигание - это наиболее простой способ подавления оксидов азота, причем организация топочного процесса происходит так, что с топливом через горелочные устройства подается только часть воздуха, остальной - в виде дополнительного дутья. Как известно, при сжигании твердых топлив, в факеле образуются “быстрые”, “термические” и “топливные” NOХ. Для пылеугольных котлов с ТШУ выход “термических” оксидов азота незначителен или отсутствует из-за невысоких температур факела (Тфакела>1800 К - для “термических”), “быстрые” оксиды азота образуются на начальной стадии горения (Тфакела ³1200...1300 К) и основную опасность представляют “топливные” оксиды азота, начало образования которых находится в зоне воспламенения и практически завершается в зоне максимальных температур. Основной выход закиси (N2O) азота наблюдается в предпламенной зоне факела. В целом, на образование каждого вида NOХ влияет температура, скорость реакции и наличие окислителя. Для снижения всех видов NOХ и производится ступенчатая подача воздуха, при которой достигаются локальные избытки воздуха на каждой стадии горения, а регулирование температуры, при необходимости, осуществляется подачей в зону горения пара или газов рециркуляции. При этом, процесс сжигания твердых топлив должен включать четыре характерных стадии с индивидуальными (локальными) избытками воздуха [99].

 При такой организации горения происходит следующее. После воспламенения и сгорания летучих, в факеле резко снижается концентрация кислорода, в результате чего тормозятся окислительные реакции с образованием NO и интенсифицируется переход азотосодержащих радикалов NHi и CN в молекулярный азот. Остальной воздух, необходимый для полного сгорания, подается в виде третичного дутья. Таким образом можно подавить выход оксидов азота, например, для канско-ачинских углей до 200 мг/м3, что соответствует требованиям к экологически чистой ТЭС [88, 99].

 Отрицательные последствия ступенчатого сжигания:

повышение температуры газов Тт на выходе из топки, связанное с торможением процесса горения на начальном участке;

увеличение потерь тепла с механическим недожогом q4, особенно при недостаточной высоте топочной камеры;

возможно некоторое снижение КПД котла от действия первых двух факторов;

опасность для котлов СКД высокотемпературной коррозии топочных экранов (в варианте, если восстановительная среда будет создаваться вблизи экранных поверхностей нагрева);

возможность шлакования ширмовых или первых по ходу газа конвективных поверхностей нагрева (из-за повышения Тт), а также топочных экранов (из-за снижения температурных характеристик золы при переходе от окислительной к восстановительной среде).

 Последние два фактора в значительной мере зависят от характеристик топлива (шлакуемости, сернистости), аэродинамики топки, расположения горелок, параметров котельной установки. Степень опасности от их действия не поддается расчету и может быть оценена только при переводе головных образцов котлов на ступенчатое сжигание.

 Организация ступенчатого сжигания, как правило, включает системы подачи пыли высокой концентрации (ПВК) горелочных устройств. Концентрация пыли в них может составлять 10...30 кг на 1 кг воздуха [33], что во много раз превышает обычную (0,2...1 кг/кг). Это приводит к недостатку кислорода в зоне воспламенения и начальной фазе горения, то есть создаются локальные избытки воздуха. Однако, при таком способе подачи возможно засорение устройств пылеподготовки и ее подачи с образованием отложений в питателях, концентраторах, сепараторах, делителях, мигалках, пылепроводах и т.п. Возможен преждевременный абразивный износ этих устройств. Образование отложений чревато возгоранием или взрывом, тем более для КАУ, так как они относятся к самой опасной в этом отношении 4-ой группе углей.

Аналогичная ситуация сложилась и в Северной Америке. Главными загрязнителями воздушного бассейна, а через него и ландшафта на этом континенте являются США. Трансграничные перемещения дымовых облаков на территорию Канады и последующие кислотные дожди — предмет бесконечных споров между США и Канадой. Переговоры по поводу кислотных дождей ведутся между обеими странами на самом высоком уровне.

Большая часть озона располагается в стратосфере. На верхнюю границу атмосферы постоянно обрушивается мощный поток солнечных и иных космических излучений широкого диапазона волн и энергий: гамма-излучения, жесткие рентгеновские и ультрафиолетовые лучи, видимый свет, инфракрасное излучение. Если бы все они смогли достичь земной поверхности, то их мощная энергия мгновенно испепелила бы все живое. Этого не случается благодаря озоновому экрану и ионосфере. Поглощая ультрафиолетовую часть спектра солнечной энергии в диапазоне 0,28 — 0,34 мкм, тонкий слой озона спасает жизнь от смертельно опасной ультрафиолетовой радиации. «Процеженная» через озоновый фильтр, она еще опасна для некоторых организмов, в том числе болезнетворных, но не для человека. Солнечная энергия, поступающая на Землю, создает саму возможность жизни. Но ее доза тоже во многом определяется атмосферой. Не будь ее, днем Солнце раскаляло бы земную поверхность до 100 °С, а ночью ледяной Космос выстуживал бы ее до —100 °С. 200-градусный перепад суточных температур намного превышает возможности к выживанию большинства, если не всех, нынешних форм земной жизни

Снижение концентрации стратосферного озона является очень важной глобальной проблемой. Несмотря на малое содержание стратосферного озона, его роль в сохранении биологической жизни Земли исключительно велика. Как уже отмечалось, молекулы озона поглощают жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца, которое разрушает органические молекулы. Это относится и к молекулам ДНК, отвечающим за передачу наследственных признаков. Озонный слой, словно щит, не только оберегает живое вещество от прямого разрушения, но и обеспечивает ход эволюции.

. По данным ВОЗ, снижение уровня содержания озона в атмосфере существенно повысит количество онкологических заболеваний, развитие катаракты и др., подавит фотосинтез растений и т.д.

Решение проблемы связано с международным сотрудничеством.


На главную