Улучшение экологических показателей ТЭС при сокращении содержания микропримесей и радионуклидов в дымовых газах

Актуальной задачей развития теплоэнергетики является снижение вредного воздействия на окружающую среду за счет сокращения вредных выбросов, в том числе парниковых газов, объемы которых к 2030 году должны быть уменьшены на 40% по сравнению с 1990 годом в странах ЕС и на 20 – 25% в России. Негативным экологическим фактором являются также выбросы частиц летучей золы, адсорбирующих микропримеси и радионуклиды.

В угле в минеральной составляющей содержатся такие микроэлементы, как хром, никель, цинк, мышьяк, селен, кадмий, ртуть, свинец и другие. В процессе сжигания угля, образования дымовых газов и их охлаждения концентрация микроэлементов в золе значительно превышает исходную в угле. Микроэлементы и радионуклиды адсорбируются на микрочастицах летучей золы, часть микроэлементов остается в дымовых газах в газообразном состоянии. Информация по их содержанию в угле и перераспределению в процессе сжигания не носит системный характер. По показателям их присутствия в угле можно в определенной мере судить о последующем состоянии [1].

Микроэлементы и радионуклиды в угле и золошлаковых отходах

По основным угольным месторождениям России информация по содержанию микроэлементов в летучей золе представлена в таблице 1.

Таблица 1

Среднее содержание тяжелых металлов в летучей золе ТЭС [5]

Месторождение, бассейн	Содержание микроэлементов, мг/кг
Месторождение, бассейн	Cd	Co	Cu	Ni	Pb	Zn
Печорский	2,4	70,3	83,1	190,8	95,1	144,6
Подмосковный	6,6	30,2	32,5	61,5	63,7	266,6
Донецкий	25	85,5	246,3	194,1	223,5	158,3
Кузнецкий	23,6	33,1	41,1	33,1	—	100,1
Березовский	15,3	33,2	24,9	59,8	149,6	124,6
Экибастузский	14,1	63,0	38,0	45,6	90,5	87,0

В сравнительном аспекте Донецкий АШ выделяется по своим негативным показателям (высокое содержание кобальта, меди, никеля, свинца).

Если рассмотреть характеристики углей по регионам, то для углей сибирских месторождений, в частности (Кузнецкий угольный бассейн) характерен относительно высокий уровень ванадия, хрома и меди.

В таблице 2 приведены данные по присутствию микроэлементов в углях Дальнего Востока и Приморья.

Таблица 2

Содержание микроэлементов в минеральной составляющей угля [6]

Элемент	Be	B	Se	Ti	V	Cr	Mn	Co	Ni	Cu	Zn	Pb
Содержа-ние, мг/кг	4,7	133,3	3,7	666,7	83,3	40	267,6	16,7	23,3	70	46,7	20

Информация по содержанию микроэлементов в углях США представлена в таблице 3.

Таблица 3

Характеристики углей основных месторождений США [10]

Название	Теплота сгорания, МДж/кг		Зольность на сухую массу, %	Сера на сухую массу, %	Ртуть, мг/кг	Хлор, мг/кг
Illinois	28,6	9,9		2,6	0,083	1691
Pennsylvania	28,8	13,2		1,9	0,258	1048
Kentucky	29,0	11,2		1,9	0,104	1054
West Virgia	29,2	12,0		1,4	0,119	1044
Wyoming	26,4	8,1		0,6	0,053	131
Montana	25,6	10,0		0,8	0,070	107
NorthDakota	23,4	14,4		1,3	0,097	159
Texas	20,6	25,5		1,6	0,125	370

В таблице 4 представлены данные по содержанию микроэлементов в каменных углях Illinois №6 и Pitsburgh №8, которые отличаются по составу ухудшенными характеристиками по сравнению с другими углями.

Таблица 4

Содержание микроэлементов в углях Illinois № 6 и Pittsburgh № 8, мг/кг [9]

Уголь	As	B	Cl	F	Cr	P	Pb	Th	U	V	Zn
Illinois № 6	6,7	80,1	1480	82,8	12,5	77,4	21,4	1,3	2,0	27,6	75,1
Pittsburgh № 8	970	41,1	447,7	73,5	13,7	177,3	4,2	1,8	0,9	15,7	12,3

Необходимо отметить высокое содержание в угле хлора, фтора, которые в виде различных соединений концентрируются в дымовых газах.

На примере изучения образцов летучей золы для трех станций: на низкосернистом угле Wyoming и Montana (Powder River Basin) и на низкосернистом и высокосернистом углях (Appalachian Basin) показаны существенные отличия в значениях концентраций угольных примесей, особенно мышьяка, в 10 и более раз.

Изучение структуры частиц летучей золы с помощью электронного микроскопа показало, что на их поверхности сконцентрированы такие элементы как ванадий, цинк, молибден, талий литий. Применение синхротронного источника рентгеновского спектра излучения для спектрального анализапозволило сделать заключение о содержании мышьяка в виде As⁵⁺– 89%, в то время как As³⁺ – 11%. Эти две формы присутствуют в водных бассейнах, реках и озерах, но As³⁺ более токсичен. Хром представлен также в двух формах Cr³⁺, и не растворяется в воде, и Cr⁶⁺, растворяется в воде и является канцерогеном.

В Индии проводятся исследования по изучению негативного влияния микропримесей. Испытания образцов, взятых из 10 различных месторождений, показали, что содержание некоторых элементов, например, мышьяка в углях варьируется в диапазоне 0,5 – 80 мг/м³ и может приближаться к верхнему предельному значению или превышать его (медь, алюминий, железо, магний, никель).

Таблица 5

Содержание микроэлементов в углях [8]

Элемент	Мах содержание в образцах, мг/кг	Диапазон значений, мг/кг
Cu	35,5	0,5 – 50
Al	877	20 – 800
Fe	721	20 – 800
Mg	138	5 – 200
Ni	43	0,5 – 50

В углях месторождений Индии отмечается также присутствие радиоактивных урана ²³⁵U, ²³⁸U – 1мг/кг и тория ²³²Th – 2мг/кг.

С использованием масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой

определено содержание микроэлементов в летучей золе из образцов топлива на трех угольных станциях Китая. Отмечается относительно высокое содержание свинца [7].

Меры по сокращению содержания токсических примесей

Для выполнения мероприятий по сокращению примесей в дымовых газах необходимо иметь базу данных по результатам мониторинга их состава и характеристик. Первоначальным ориентиром может служить информация по их содержанию в угле [4].

Классификация поведения угольных микроэлементов:

Магний, бериллий, кобальт, хром приблизительно в равных пропорциях концентрируются на частицах летучей золы средних размеров и шлаке.
Мышьяк, кадмий, свинец – на микрочастицах летучей золы.
Ртуть, хлор, селен присутствуют в дымовых газах в газообразном состоянии.
Радионуклиды концентрируются на мелких фракциях золы.

На основе изложенной классификации можно сказать, что для углей американский месторождений Illinois с высоким содержанием хлораи ртути для их снижения в летучей золе эффективными станут аппараты мокрой золоочистки.

Для золоочистки дымовых газов (Донецкий АШ, Кузнецкий уголь, Печорский уголь, угли Приморья) в соответствии с присутствием в летучей золе определенного спектра микроэлементов наиболее приемлемы электрофильтры, рукавные тканевые фильтры. С предвключенным батарейным циклоном степень удаления частиц летучей золы может составить порядка 99% и более. Следует ожидать, что микропримеси и радиоактивные элементы, адсорбированные на частицах летучей золы микроразмером 2 – 5 мкм после рукавного фильтра в концентрированном виде могут быть удалены с золошлаковыми отходами. Применение отдельного их складирования с обеспечением специальных мер по их локализации позволит снизить загрязнение окружающей среды в результате выветривания и воздействия осадков.

Нормирование вредных выбросов от угольных ТЭС

Для определения воздействия на окружающую среду введены ряд показателей: предельно допустимые концентрации ПДК вредных веществ (оксидов азота, оксидов серы, частиц летучей золы) в дымовых газах; предельно допустимые концентрации максимально разовые ПДК_мр и среднесуточные ПДК_сс в воздухе и в производственных помещениях. Для микропримесей и микроэлементов действующими являются последние [2,3].

Таблица 7

Предельно допустимые концентрации для микропримесей и микроэлементов

Вредное вещество	ПДК_мр, мг/м³	ПДК_сс, мг/м³	Класс опасности
Бензапирен (С₂₀Н₁₂)	0,00015	0,000001	1
Ртуть	0,001	0,0003	1
Свинец	0,001	0,0003	1
Золовая пыль	0,15	0,05	2

Системный подход к мониторингу состава дымовых газов, в частности, на наличие и состав микропримесей и радионуклидов позволил бы определиться с их нормативными показателями.

Следует отметить, что решение проблемы вредного воздействия угольных примесей и радиоактивных элементов потребует созданияспециального системного наблюдения и мониторинга их состава и распределения в дымовых газах. На основе полученных показателей могут быть рекомендованы меры по совершенствованию системы золоочистки дымовых газов на ТЭС. При раздельном удалении и хранении золовых отходов после аппаратов грубой и тонкой золоочистки возрастает эффективность защитных экологических мероприятий.

Список литературы

Алиярова М.Б. Поведение микроэлементов угля при его сжигании и оценка токсичности продуктов сгорания. Автореферат диссертации. Алматы, 1996.

ГН 2.1.6.695-98 Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест.

ГН 2.1.6.1338-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест.

Крылов Д.А., Сидорова Г.П. Пути снижения экологического воздействия на окружающую среду угольных ТЭС России. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. № 11. с. 277–285.

Ольховский Г.Г., Тумановский А.Г., Глебов В.П., Берсенев А.П. Проблемы охраны воздушного бассейна от воздействия тепловых электрических станций и их решения. Энергетика. 1997. № 5. с. 5–19.
Шпирт М.Я., Пунанова С.А. Особенности накопления микроэлементов в углях различных бассейнов России. Химия твердого топлива. 2011. № 3. с. 10–25.
Determination of trace elements in fly ash by High resolution inductively coupled plasma mass spectrometry.

Soumyajit Nayak. Trace elements in some Indian coals. Bisoi, Biswaranjan. 2011.

Trace Elements emissions from coal. IEA Clean Coal Centre. Profiles № 12/13. November 2012.

Quality Guidelinees for Energy System Studies: Detailed Coal Specifications. National Energy Technology Laboratory. 2013.

Detail Coal Specs Rev 420130510.pdf[schema type=»book» name=»Улучшение экологических показателей ТЭС при сокращении содержания микропримесей и радионуклидов в дымовых газах» description=»Рассмотрены экологические проблемы угольных ТЭС, связанные с воздействием выбросов дымовых газов, содержащих токсические микропримеси. Предложены варианты сокращения вредных выбросов при соответствующем подборе и комбинации аппаратов золоочистки.» author=»Богачева Татьяна Михайловна, Жарнова Анна Алексеевна» publisher=»Басаранович Екатерина» pubdate=»2016-12-14″ edition=»euroasia-science_6(27)_23.06.2016″ ebook=»yes» ]

euroasia

Похожие записи