Перспективы развития энергетики России предполагают увеличение доли угля в топливном балансе. Если смотреть по регионам, то наиболее мощные угольные ТЭС сосредоточены в Сибирском и в Уральском округах. Самые крупные месторождения угля Кузнецкого и Канско-Ачинского размещены в Западной Сибири. Уголь Кузнецкого бассейна как, наиболее качественный, с низким содержанием серы 0.2-0.3% на рабочую массу, занимает ведущее место в экспорте. Между тем, ряд станций на Урале и в Сибирском регионе работают на поставках Экибастузского угля из Казахстана, которые в последние годы имеют постоянную тенденцию к росту. Экибастузский уголь отличается высокой зольностью до 50%, содержание серы на уровне 0.7%. В этой связи последствия его расширенного использования на ТЭС страны потребуют повышенного внимания с экологической точки зрения.
По выбросам вредных веществ в атмосферу Сибирский, Уральский и Северо-западные округа характеризуются наибольшими экологическими проблемами. В таблице 1 представлены валовые выбросы за год по тяжелым металлам.
Сибирский, Уральский и Северо-западный округа отмечены как наиболее экологически проблемные. В суммарных выбросах в атмосферу от всех стационарных источников, включая энергетические объекты, в объеме 14000 тонн/год (2008г) на Сибирский федеральный округ приходится 43%, на Уральский федеральный 41% и соответственно на Северо-западный федеральный 16%. В таблице 1 представлены валовые выбросы за год по тяжелым металлам.
Таблица 1
Загрязнение ОС по регионам России (2008год) [1]
|
Округ |
Северо-Западный | Уральский |
Сибирский |
| Свинец, т/год | 9,4 | 219,8 | 23,6 |
| Кадмий, т/год | 0,1 | 15,5 | 0,1 |
| Ртуть, т/год | 0,01 | 1,1 | 0,4 |
Тяжелые металлы и радиоактивные элементы в углях отечественных и зарубежных месторождений.
В таблицах 2,3 приведены данные по содержанию вредных микропримесей в углях месторождений в России и ряда зарубежных источников.
Видно, что их наличие в той или иной степени отмечается в углях независимо от места их добычи. В этой связи в последние десятилетия в ряде стран, имеющих развитую угольную энергетику (США, Китай, Индия, Австралия и другие), усиливается внимание к решению проблемы влияния микропримесей и радионуклидов на окружающую среду.
Таблица 2
Микропримеси в золе Экибастузского, Донецкого и
Канско-Ачинского углей [3, 4]
|
Микроэлементы |
Содержание микроэлементов в золе, мг/кг |
||
|
Экибастузский |
Донецкий АШ |
Канско-Ачинский |
|
| Свинец | 20-40 | 170-210 | 10-35 |
| Мышьяк | 15-30 | 80-110 | 20-60 |
| Ванадий | 40-120 | 120-170 | 10-40 |
| Хром | 20-100 | 110-150 | 16-60 |
| Цинк | 60-250 | 70-400 | 30-70 |
Таблица 3
Средние значения микроэлементов в углях США [6]
|
Элемент |
Содержание, мг/кг |
| Мышьяк | 2.69 |
| Бор | 47 |
| Бериллий | 1.0 |
| Кадмий | 0.093 |
| Кобальт | 4.5 |
| Ртуть | 0.091 |
| Свинец | 7.0 |
| Селен | 2.15 |
| Хром | 17.6 |
| Марганец | 40 |
| Медь | 10.8 |
| Никель | 11.1 |
| Цинк | 12.7 |
| Фтор | 120 |
| Хлор | 440 |
Выбросы в атмосферу тяжелых металлов и радионуклидов с золой ТЭС
Исследования показали, что в основном тяжелые металлы и радионуклиды концентрируются в летучей золе, при этом отмечается их повышенное содержание на мелких фракциях частиц. В золе содержатся такие тяжелые металлы, как ванадий, никель, кадмий, хром, медь, свинец, цинк.
Распределение некоторых элементов в различных по размерам частицах — неравномерно и обычно увеличивается с уменьшением размеров частиц. К таким элементам относятся свинец, цинк, таллий, германий, сурьма, мышьяк, сера [5,7]. В связи с этим, более мелкая зола, не уловленная золоуловителями, поступающая в атмосферу, содержит больше перечисленных элементов, чем средняя по составу зола исходного топлива. Большинство элементов и их соединений при температуре уходящих газов 130-150°С находится в твердом состоянии и улавливается вместе с золой в золоуловителях. Соединения: ртути, серы, фтора, хлора находятся в парообразном состоянии и практически не задерживаются в сухих золоуловителях.
Согласно исследованиям при сжигании и пиролизе угля [6] цинк и свинец переходят в парообразное состояние, при пиролизе в значительной степени. Никель, мышьяк, хром концентрируются в летучей золе.
В таблице 4 показано распределение радионуклидов в исходном топливе (угле) и производных конверсии его минеральной части, в шлаке и в золе, где их содержание максимально. В этой связи для решения проблемы сокращения эмиссии микропримесей и радионуклидов в значительной степени определяется эффективностью системы удаления частиц летучей золы.
Таблица 4
Распределение радиоактивных элементов [8]
|
Изотоп |
Уголь | Шлак |
Летучая зола |
| Урана 238U | 9-31 | 56-185 | 70-370 |
| Радия 226Ra | 7-25 | 20-166 | 85-281 |
| Тория 232Th | 9-19 | 59 | 81-174 |
| Калия 40K | 26-130 | 230-962 | 233-740 |
В таблице 5 представлены данные по фракционному составу золовых частиц для некоторых углей, сжигаемых в котлах на ТЭС страны.
Таблица 5
Фракционный состав золы-уноса некоторых топлив [3]
|
Месторождение, бассейн |
Марка топлива | Тип мельницы |
Доля частиц с размерами крупнее данного, % |
||||||||
|
Размеры частиц, мкм |
|||||||||||
| 0-5 2,5 | 5-10 7,5 | 10-20 15 | 20-30 25 | 30-40 35 | 40-60 50 | 60-80 70 | 80-100 | >100 | |||
| Донецкий | АШ | ШБМ | 8 | 9 | 14 | 11 | 11 | 20 | 17 | 5 | 5 |
| Кузнецкий | Т | ШБМ | 12 | 19 | 31 | 9 | 6 | 10 | 5 | 3 | 5 |
| Экибастузский | СС | ШБМ | 6 | 9 | 46 | 21 | 8,3 | 6,7 | — | — | — |
| Экибастузский | СС | ШБМ | 9,5 | 15,5 | 20 | 11 | 7,5 | 9,5 | — | — | — |
| Канско-Ачинский | Б | ММТ | 4 | 8 | 22 | 19 | 10 | 19 | 8 | 3 | 7 |
*В числителе – предельные значения, в знаменателе – средний размер.
В золе-уносе при сжигании угля Кузнецкого месторождения доля частиц более 15 мкм порядка 40%, Экибастузского содержание частиц 30-40%, Канско-Ачинского более 65%.
В таблице 6 для Канско-Ачинского угля приведены показатели по фракционному составу золы после очистки в электрофильтре
Таблица 6
Дисперсный состав летучей золы после электрофильтра для Канско-Ачинского угля [9]
|
Степень очистки газа, % |
Фракция золы, мкм |
|||||
| >5 | >10 | >20 | >30 | >40 | >50 | |
| 93,5 | 97,0 | 80,0 | 80,0 | 20,0 | 10,0 | 5,0 |
| 93,8 | 97,5 | 85,0 | 85,0 | 28,0 | 16,0 | 9,0 |
| 95,1 | 96,5 | 77,0 | 77,0 | 13,0 | 5,0 | 2,0 |
| 97,8 | 90,0 | 55,0 | 55,0 | 10,0 | 2,0 | 0,0 |
В золе Канско-Ачинского угля содержание мелких фракций менее 10 мкм на уровне 10%, после электрофильтра (при степени очистки 97.8%) сохраняется практически на этом же уровне. Содержание частиц менее 15 мкм до электрофильтра 34% после очистки в электрофильтре 45%, т.е. дымовые газы содержат в значительной степени приблизительно до 50% мелких фракций, что опасно с точки зрения выбросов тяжелых металлов и радионуклидов.
В золе экибастузского угля содержание частиц с размером 15 мкм на уровне 40%, более мелких частиц с размерами 2.5-7.5мкм — 15-25%. После электрофильтра предположительно снизится содержание частиц 15-60мкм. Более мелкие частицы останутся в газе.
Таким образом, после электрофильтра существенно сокращается содержание частиц средних размеров. Для удаления мелких фракций наиболее эффективны могут быть рукавные тканевые фильтры.
На некоторых зарубежных угольных электростанциях (США, Германия) используется комбинированная схема очистки, включающая электрофильтр и тканевый фильтр, что позволяет реализовать эффективное сокращение содержания твердых частиц, особенно мелких фракций, в дымовых газах. В качестве первой ступени очистки от крупных фракций может служить циклон, далее после электрофильтра либо тканевого фильтра с высокой степенью очистки 99-99.9% содержание мелких фракции в газе сократится до минимального уровня. Раздельное удаление уловленной золя из вторичных аппаратов золоочистки (тканевых фильтров и электрофильтров) с герметичным складированием позволит снизить проблему загрязнения окружающей среды частицами с высоким содержанием тяжелых металлов и радионуклидов. Используя практику бетонирования радиоактивных отходов АЭС, можно внедрить те же методы для складирования и герметичного хранения золовых отходов, выделенных из общего потока золошлаковых отходов и содержащих в концентрированном виде тяжелые металлы и радионуклиды.
Подобный подход позволит не только снизить объемы накапливаемых золы и шлаков в золоотвалах, но и расширить области их утилизации, в том числе для производства строительных материалов. Кроме того, просматривается положительный экологический эффект за счет сокращения воздействия вредных составляющих отходов на почву, поверхностные и подземные водные источники прилегающих территорий. При выветривании с поверхности отходов снижается вероятность поступления в окружающую среду вредных микропримесей и радиоактивных элементов.
В соответствии с изложенной концепцией рассмотрим схемные решения по золоочистке дымовых газов и складированию золошлаковых отходов при сжигании экибастузского угля на ТЭЦ-3 (АО Павлодарэнерго) [10].
Расход топлива в котле БКЗ-420-140 в зимний и летний периоды находится на уровне 20-21 кг/с. Валовый выброс твердых частиц в зимний период до очистки 8091 г/с после очистки 40.5 г/с; в летний период соответственно 9128 и 45.6 г/с.
Объем сухих дымовых газов 117м3/с при избытке воздуха α =1.4. Согласно ГОСТ5081-95 нормативное значение удельного содержания твердых частиц в дымовых газах при приведенной зольности равной 2.4 составит 150 мг/м3
Применяемые на ТЭЦ аппараты мокрой очистки при эффективности удаления 0.995 дают превышение удельного содержания твердых частиц в дымовых газах относительно нормативного практически в 2 раза.
Рассмотрим альтернативную схему очистки: батарейный циклон и тканевый фильтр.
После очистки в циклоне (90%) валовый выброс снизится до 809.1 г/с, после тканевого фильтра (98.%) – 16.1 г/с, удельное содержание твердых частиц в сухих газах 138 мг/м3, что меньше нормативного значения. Итак, отбор уловленной золы из тканевого фильтра порядка 793 г/с или в год при эксплуатации в течение 6500 часов приблизительно 18.5 тонн. Это именно те отходы, которые потребуют наиболее корректных и безопасных для окружающей среды принятия мер по их складированию. Эти отходы представляют из себя частицы мелких фракций, которые подлежат бетонированию.
Рисунок 1. Схема системы золошлакоудаления
Объем золошлаковых отходов (котел, циклон) — 7.2 кг/с, почти на 10% меньше за счет отделения потока из тканевого фильтра. За счет снижения содержания вредных примесей возрастают возможности утилизации золошлаковых отходов экибастузского угля, характеризуемых высоким содержанием SiO2.
Таким образом можно обеспечить сокращение выбросов вредных микропримесей и радиоактивных элементов в атмосферу. Относительно каждого типа углей и марок решения должны приниматься на основе результатов выполненных экспериментальных исследований по содержанию вредных примесей в исходном топливе и их перераспределению в процессе сжигания угля и охлаждения продуктов сгорания.
Список литературы:
- Обзор фонового состояния окружающей природной среды на территории стран СНГ за 2009-2010 гг. /Под редакцией Израэля Ю.А. — М.: Росгидромет, 2011г. — 128 с.
- Авдеева Л.Н., Барбат В.Ф. Зола ТЭЦ — перспективное сырье для промышленности // Вестник Омского Унивеситета.—2009. —№ 2. 141-151 с.
- Разва А.С. Природоохранные технологии в промышленной теплотехнике. Улавливание твердых частиц из дымовых газов: учеб. пособие. Томский политехнический университет, 2010. — 35 с.
- Andrea Boland. Quality Guidelines for Energy System Studies: Detailed Coal Specifications [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:https://www.netl.doe.gov/File%20Library/research/energy%20analysis/publications/QGESS DetailCoalSpecs Rev4 20130510.pdf
- Алиярова М.Б. Поведение микроэлементов угля при его сжигании и оценка токсичности продуктов сгорания: Автореферат диссертации. Алматы, 1996. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:
- JJe Wang. Akira Takaya. Akira Tomita. Leaching behaviors of trace elements in coal ash and char // Fuel Chemistry Division Preprint. — 2003. —№ 48(10): 350.
- Farshid Vejahati, Zhenghe Xu, Rajender Gupta. Trace elements in coal: Associations with coal and minerals and their behavior during coal utilizatio // Fuel. — 2010. —Vol.89(4): 904-911.
- Мауричева Т.С. Количественная оценка поступления радионуклидов в окружающую среду при работе угольных ТЭЦ (на примере ТЭЦ-1 Северодвинска) // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. М: 2007. — 20с.
- СО 34.02.319-2001 (РД 153-34.1-02.319-2001). Методические указания по определению коэффициента оседания F при оценке загрязнения атмосферы твердыми выбросами ТЭС с учетом дисперсности летучей золы, 2001 — 9 с.
- Оценка воздействия на окружающую среду к рабочему проекту «Реконструкция парового котла БКЗ-420-140 ст.№3 ТЭЦ-3 АО «ПАВЛОДАРЭНЕРГО». НПЦЭС ТОО «Иртыш-Стандарт» ГЛ №01277Р. 2001 — 94 с.[schema type=»book» name=» ВОЗМОЖНОСТИ СОКРАЩЕНИЯ ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ МИКРОПРИМЕСЕЙ И РАДИОНУКЛИДОВ В ДЫМОВЫХ ГАЗАХ И ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДАХ ТЭС НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ» description=»В статье проанализированы возможности сокращения выбросов вредных микропримесей и радио-нуклидов с дымовыми газами ТЭС и загрязнении окружающей среды при складировании золошлаковых отходов с использованием раздельной схемы по потокам. Применительно к экибастузскому углю приве-дены расходные данные по золошлаковым отходам от котла и аппаратов золоочистки. » author=» Богачева Татьяна Михайловна, Сурмин Арсений Алексеевич » publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-12″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.03.2017_03(36)_часть 1″ ebook=»yes» ]