10972

2

УДК 62-784.2:699.871 (075.8)

Гордеев А.В. / Охрана и рациональное использование воздушного бассейна [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / А.В. Гордеев; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун-т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – __ с.– 1 электрон. опт.

диск (CD-RW).

В настоящем учебно-методическом пособии по дисциплине «Охрана и рациональное использование воздушного бассейна» даются конкретные рекомендации учащимся для освоения как основного, так и дополнительного материала дисциплины и тем самым способствующие достижению целей, обозначенных в учебной программе дисциплины. Цель учебно-методического пособия — это помощь в усвоении лекций и в подготовке к практическим занятиям.

Учебно-методическое пособие предназначено для обучающихся в ННГАСУ по дисциплине «Охрана и рациональное использование воздушного бассейна» по направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника профиль Природопользование.

Учебно-методическое пособие ориентировано на обучение в соответствии с календарным учебным графиком и учебным планом по основной профессиональной образовательной программе направления 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника профиль Природопользование, утв. решением учёного совета ННГАСУ от 25.12.2015 г., протокол № 3

3

Введение

Во второй половине 20 века антропогенное загрязнение окружающей среды возросло настолько, что резко ухудшились условия жизни человечества.

Особую тревогу вызывает возрастающее загрязнение воздушного бассейна. Атмосфера – наиболее мобильная составляющая окружающей среды, так как воздушные массы переносят загрязнение на значительные расстояния от источников загрязнения. Отсюда - охрана воздушного бассейна стала проблемой не отдельно взятой страны, а человечества в целом.

Проследим динамику использования человечеством атмосферного воздуха. В давние времена атмосфера была лишь источником кислорода для дыхания. Каждый человек потребляет в среднем около 13,6 кг воздуха ежедневно (для сравнения - ежедневный расход пищи не превышает 3,5кг). Следовательно, рост народонаселения планеты Земля способствовал возрастанию потребления воздуха для дыхания.

Кроме того, с развитием человечества появилась необходимость в термической переработке пищи, а затем, по мере передвижения отдельных народов к северу, необходимость в отоплении жилищ.

В процессе цивилизации резко возросло потребление кислорода для промышленных процессов сжигания топлива. Атмосфера стала средой для передвижения транспорта. Кроме расходования кислорода из зоны дыхания, процессы сжигания явились крупнейшими источниками загрязнения воздушного бассейна. Росло потребление топлива – увеличивалось загрязнение атмосферы.

Технический процесс привел к глобальному расходованию природных ресурсов, усугубил негативное воздействие всех отраслей промышленности на воздушный бассейн.

Загрязнение атмосферы в настоящее время настолько велико, что в большинстве промышленных центров мира концентрации вредных веществ в периоды неблагоприятных метеоусловий (НМУ), а иногда и круглогодично превышают гигиенические нормативы.

Проблема защиты воздушного бассейна стала настолько актуальной, что ни один технологический процесс не может быть утвержден без экологического обоснования.

Жесткие ограничения строительства новых и реконструкции действующих объектов в условиях высокого фонового загрязнения атмосферы обусловили необходимость получения необходимого уровня знаний на стадии подготовки квалифицированного специалиста.

Цель преподавания дисциплины – передать информацию о существующих методах очистки выбросов от вредных веществ и заложить основы знаний по способам охраны воздушного бассейна.

Задачи курса – усвоить полученную информацию, уметь выбрать наиболее эффективный метод очистки выбросов энергетических и промышленных установок от загрязняющих атмосферу веществ.

4

1. Способы снижения загрязнения воздушного бассейна. Классификация

Способы снижения загрязнения воздушного бассейна можно разделить на: информационно – пропагандистские, законодательнонормативные, адми- нистративно-организационные и технические.

Информационнопропагандистские методы включают информацию о состоянии воздушного бассейна, о негативном воздействии Человека и разработанных им технологий на качество атмосферного воздуха. Цель методов - формирование психологической потребности в охране воздушного бассейна.

Законодательнонормативные методы включают законодательную деятельность в области охраны воздушного бассейна: законы, законодательные акты и нормативную документацию, необходимые для формирования экологически благоприятной окружающей среды при проектировании, строительстве и реконструкции объектов различного назначения.

Административноорганизационные методы – комплекс мероприятий на уровне органов управления страной, регионами, крупными промышленными центрами, направленный на снижение негативного воздействия всех отраслей хозяйственной деятельности на состояние воздушного бассейна. Например:

-финансирование перспективных разработок безотходных и малоотходных технологий:

-формирование экологически благоприятной структуры топливного баланса (использование в качестве топлива природного газа, малосернистого мазута, продуктов энерготехнологической переработки твердого топлива);

-организация повсеместного мониторинга воздушного бассейна;

-организация симпозиумов (в том международных), региональных и городских конференций по вопросам охраны воздушного бассейна;

-непрерывная информация о состоянии воздушного бассейна, особенно в наиболее экологически неблагоприятных территориях страны;

-стимулирование научных разработок в области защиты атмосферы, особенно природоохранной техники, оказание помощи при внедрении передовых экологических разработок.

Основная задача – неизбежность экологического обоснования хозяйственной и иной деятельности на стадиях: прединвестиционной и проектной документации, а также при строительстве, сооружении, эксплуатации и реконструкции объектов различного назначения.

Технические методы – это комплекс природоохранных мероприятий, включающий использование передовых экологонаправленных технологий при проектировании различных объектов, набор совершенной экозащитной техники и технологий применительно к существующим объектам, загрязняющим воздушный бассейн, экологическое обоснование используемых материалов и оборудования.

5

Технические способы снижения загрязнения воздушного бассейна следует разделить на две крупные группы: технологические методы и методы

очистки.

Очистка – это применение методов улавливания или нейтрализации загрязняющих веществ, желательно с утилизацией уловленных продуктов в технологических целях. Методы очистки имеют, как правило, высокую стоимость и поэтому перед их выбором необходимо рассмотреть все возможности использования технологических методов для снижения вредных выбросов в атмосферу.

Технологические методы – это комплекс технологических решений и режимов работы технологического оборудования, которые направлены на снижение образования токсичных веществ в данном технологическом процессе. Технологические методы, как правило, менее затратные, чем очистка.

2. Защита воздушного бассейна от выбросов стационарных топливосжигающих установок

Установки, сжигающие органическое топливо (котлы, печи и др.) являются существенными загрязнителями воздушного бассейна.

Об увеличении антропогенного воздействия на окружающую среду можно проследить по динамике потребления тепловой и электрической энергии: 1970 г. в мире произведено 5 триллионов кВт×ч энергии,

все сферы окружающей среды – вызывает нарушение почвенного покрова, режима подземных вод, гибель растительного покрова и др.

Особенно велико воздействие энергетики на состояние воздушного бассейна. Токсичные вещества, образующиеся в процессах сжигания топлива, переносятся воздушными потоками на значительные расстояния от источника загрязнения.

Воздействие процессов сжигания топлива на качество атмосферного воздуха зависит от состава используемого топлива и способа его сжигания.

Все элементы топлива участвуют в образовании токсичных веществ в процессе горения. Наименьшую экологическую опасность представляет сжигание топлива, состоящего из углерода СР и водорода НР и не содержащего се-

6

ры SР, топливного азота NР, минеральной составляющей АР (например, природного газа).

Продукты полного сгорания углеводородной части топлива - СО2 и Н2О

-не являются токсичными. Тем не менее, процесс даже полного сгорания топлив оказывает негативное воздействие на окружающую среду:

-возрастание содержания СО2 в атмосфере способствует парниковому эффекту;

-увеличивается тепловое загрязнение атмосферы вследствие достаточно высокой температуры уходящих газов;

-процессы горения расходуют большой объём кислорода из зоны дыхания.

Вслучае неполного сгорания топлива воздушный бассейн загрязняется веществами, большинство из которых токсичны (оксид углерода СО, сажа, углеводороды, в том числе бенз(а)пирен БП и др.)

При сжигании всех видов топлив в условиях высоких температур обра-

зуются оксиды азота – NO X (NO + NO2). Содержание NO составляет (95-98)%, а NO2 только (2-5)%. При движении по газовому тракту соотношение NOx не изменяется, но при выбросе в атмосферу более 70% NO окисляется до NO2. Содержание NOx в топочной камере увеличивается при наличии азота NP в рабочей массе топлива.

Содержание серы (SP) в составе топлива приводит к образованию в топочной камере и выбросу в атмосферу оксидов серы SOX (SO2 + SO3), причём

SO2 –(98 -99)% SO X, а SO3 - (1-2)% SOX.

Минеральная составляющая АР обуславливает выброс частиц золы с продуктами сгорания в воздушный бассейн.

2.1. Технологические методы снижения загрязнения атмосферы топливосжигающими установками

Технологические методы снижения загрязнения атмосферы выбросами стационарных топливосжигающих установок можно классифицировать следующим образом:

-повышение доли использования топлив с высокими экологическими характеристиками в топливном балансе;

-снижение расхода топлива путем повышения эффективности сжигания и снижения потерь теплоты при ее транспортировке и использовании;

-использование энергосберегающего оборудования;

-энерготехнологическая переработка твердых топлив;

-технологические приемы и оборудование для эффективного выведения и рассеивания вредных выбросов в атмосфере;

-использование методов подавления образования вредных веществ при сжигании топлив.

2.1.1.Повышение доли топлива с высокими экологическими

характеристиками в топливном балансе

При неполном сгорании углеводородного топлива в атмосферный воздух

7

выбрасывается большое количество токсичных веществ. Это оксид углерода, углеводороды, в том числе канцерогенный бенз(а)пирен, сажа, альдегиды и др.

Легче всего обеспечить полноту сгорания газообразных топлив, так как топливо и окислитель находятся в одном агрегатном состоянии, легче перемешиваются и вступают в реакцию горения (гомогенное горение). Среди газообразных топлив экологическое преимущество имеют легкие углеводороды, например метан. Чем больше в газообразном топливе тяжелых углеводородов, тем больше склонность к сажеобразованию и образованию бенз(а)пирена, т.е природный газ значительно экологичнее попутного, нефтезаводского и др.газов. Выброс оксидов азота – минимальный. Отсутствует выброс твердых частиц и сернистых соединений.

Повышенную эколгическую опасность вызывает использование в качестве топлива мазута. Мазут является остаточным продуктом перегонки сырой нефти, а, следовательно, состоит почти полностью из тяжелых углеводородов. Поэтому содержание сажи и бенз(а)пирена в продуктах сгорания мазута на 1-2 порядка выше, чем при сжигании природного газа. Кроме того, именно в мазуте остается вся сера, содержащаяся в сырой нефти. По содержанию серы в рабочей массе топлива мазут разделяется на малосернистый (Sр = 0,5 %), сернистый (Sр до 2%) и высокосернистый (Sр до 3,5%). Сжигание мазута сопровождается выбросом токсичных соединений – SO 2, SO3 и паров Н2 SO4. Выбрасывается также небольшое количество твердых веществ (зольность мазута –

(0,1- 0,2) %).

Самым экологически неблагоприятным является твердое топливо. Качественно сжигать твердое топливо еще сложнее. Кроме химического

недожога значительно возрастают выбросы твердых частиц – золы. Резко увеличивается выброс оксидов азота за счет высокого содержания азота в рабочей массе твердого топлива.

2.1.2. Снижение расхода топлива в энергетике

Загрязнение атмосферы токсичными веществами напрямую зависит от добычи и расхода сжигаемого органического топлива – основного источника энергоресурсов.

В России исторически сложился ресурсорасточительный характер хозяйствования, обусловленный богатейшими запасами органического топлива. Многолетнее неэффективное расходование топлива пагубно складывается на экономике страны и экологической ситуации.

Эффективность использования энергоресурсов определяется [1]: сте-

пенью преобразования их энергетического потенциала в конечную продукцию, в том числе теплоту, используемую на бытовые и промышленные нужды.

Эффективность применения энергоресурсов оценивается коэффициентом их полезного использования (ηэр):

где ηир – коэффициент извлечения потенциального запаса энергоресурса;

9

Рис.2.1. Распределение энергетического потенциала органического топлива:

I – источник энергии ( органическое топливо); II – преобразователи первичной энергии; III – энергоносители; IV – энергопотребляющие процессы

Повышение эффективности сжигания топлива в котлах и печах

Расход органического топлива для каждого технологического процесса зависит от потребности в тепловой энергии, теплоты сгорания топлива и коэффициента полезного действия теплогенерирующей установки, м3/с, кг/с:

где Qк - потребное количество теплоты, кВт;

Qнр - теплота сгорания топлива низшая, кДж/м3, кДж/кг; ηкбр - коэффициент полезного действия установки, %.

Анализ формулы показывает, что необходимо применять топливо с высокой теплотой сгорания, а также использовать топливосжигающие установки с высоким коэффициентом полезного действия (КПД).

КПД (ηкбр ) по методу обратного баланса, %: