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 | |||||
| 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 ПДКмр и среднесуточные ПДКсс 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 | ПДКмр, мг/м3 | ПДКсс, 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» ]