Розділ 10. Органічне паливо І його використання в енергетиці icon

Розділ 10. Органічне паливо І його використання в енергетиці




Скачати 349.89 Kb.
НазваРозділ 10. Органічне паливо І його використання в енергетиці
Дата25.06.2012
Розмір349.89 Kb.
ТипЗакон





Розділ 10. Органічне паливо і його використання в енергетиці



Особливості використання органічного палива



Закономірності утворення екологічно шкідливих речовин під час горіння палива

Характеристика шкідливих речовин у продуктах згорання палива і їх вплив на довкілля

Нормування вмісту шкідливих речовин у продуктах згорання органічного палива



Контрольні запитання
^


10.1. Особливості використання органічного палива



У всьому світі понад 80 % теплової та електричної енергії одержують, спалюючи викопне органічне паливо і перетворюючи його хімічну енергію на електричну і теплову. Близько 80 % усіх видів забруднень біосфери зумовлено саме енергетичними процесами.

Через інтенсивне використання невідновлюваних паливно-енергетич­них ресурсів планети у ХХ ст. їх запаси значно зменшилися. У структурі викопного органічного палива питома вага нафти становить майже 45 %, природного газу – 18 %, вугілля – 37 %. Загальне уявлення про світове використання енергоресурсів за останні 100 років дають дані табл. 10.1.

Нафта, природний газ і вугілля спалюють у таких кількостях, що продукти їх згорання (шкідливі й токсичні газові викиди та аерозолі) змінюють склад атмосфери, забруднюють гідросферу та літосферу. В атмосферу щорічно викидаються десятки мільярдів тонн газоподібних і паротвірних сполук, твердих частинок, склад яких визначається видом і умовами спалювання органічного палива. Це прямо стосується й енергетики України.

Щоб засвідчитись в цьому достатньо проаналізувати загальні дані споживання основних видів органічного палива в світі (табл. 10.1) і, зокрема, ПЕК України (табл. 10.2).




^ Таблиця 10.1 - Сумарне світове енергоспоживання


Показник

1900

1950

1975

1990

2000

Сумарне енергоспоживання, млрд. т у.п.

0,95

2,86

8,6

17,0

30,0

Населення, млрд. осіб

1,62

2,5

3,8

4,6

6,0

Питомі енерговитрати (т у.п. на 1 особу на рік)

0,59

1,16

2,32

3,7

5,0


^ Таблиця 10.2 - Споживання органічного палива в Україні станом на кінець ХХ ст.



Види палива

Паливно-енергетичний комплекс


Мала енергетика


Усього

Природний газ

124 млрд м3

(142млн т у.п.)

74 млрд м3

(85млн т у.п.)

198 млрд м3

(227млн т у.п.)

Нафта і нафтопродукти

41 млн т

(56 млн т у.п.)

25 млн т

(34 млн т у.п.)

66 млн т

(90 млн т у.п.)

Вугілля

128 млн т

(90 млн т у.п.)

77 млн т

(34 млн т у.п.)

206 млн т

(124 млн т у.п.)

Усього

286 млн т у.п.

174 млн т у.п.

460 млн т у.п.


Розрізняють повне та неповне згорання палива. У процесі повного згорання вся хімічна енергія палива переходить в теплову, немає хімічної (q3 = 0) та механічної (q4 = 0) неповноти згорання. В продуктах згорання, крім азоту та надлишкового кисню, знаходяться тільки оксиди горючих елементів вищих порядків (СО2, H2O, SO2). Такий склад продуктів згорання називають теоретичним.

У процесі неповного згорання (q3 > 0 та q4 > 0) до теоретичного складу додаються продукти неповного згорання у вигляді: СО, H2, СH4 (якщо згорає природний газ); С та СхHу, а також СО (якщо згорає тверде та рідке паливо).

Залежно від співвідношення між кількістю палива та окисника (зазвичай – чисте повітря або повітря, забаластоване продуктами згорання) розрізняють стехіометричне та нестехіометричне горіння.

Стехіометричне горіння визначається подачею в зону горіння теоретично потрібної кількості окисника (стехіометричним коефіцієнтом). При цьому коефіцієнт надлишку повітря дорівнює одиниці ( = 1,0).

Нестехіометричне горіння має місце при значених   1,0 або   1,0. Якщо   1,0 – в продуктах згорання є надлишковий кисень та оксиди горючих елементів, якщо   1,0, – в продуктах згорання фіксують нестачу кисню і, крім оксидів вищих порядків, продукти неповного згорання (здебільшого у вигляді СО, H2, СхHу). При цьому утворюється джерело забруднення середовища в теплоенергетиці, а саме газоподібні продукти згорання органічного палива, що викидаються через димову трубу.

Основа горіння – реакції окиснення горючих складових палива, у результаті яких вихідні речовини (паливо й окиснювач) перетворюються на компоненти (продукти згорання) з іншими фізичними і хімічними властивостями. Характерною ознакою горіння є процес, що швидко відбувається, супроводжується інтенсивним виділенням теплоти, різким підвищенням температури й утворенням розжарених продуктів згорання з різним ступенем світності.

Процес горіння газоподібного палива умовно можна розділити на дві стадії: перша – утворення горючої суміші (суміші палива і повітря); друга – її нагрівання, запалення і горіння. Складніший процес горіння рідкого палива. Початковою стадією є нагрівання, розпилювання і випаровування пального. Краплини та пара пального змішуються з повітрям, і горюча суміш випаровується, запалюється і згорає.

У процесі горіння твердого палива в топках енергетичних котлів початковою стадією є подрібнення палива та транспорт аеросуміші до пальників факельних топок.

Потрапляючи в топку, частинки твердого палива підсушуються, підігріваються. Далі при відповідній температурі леткі виходять, спалахують і вигорають, після чого вигорає коксовий залишок.

Залежно від агрегатного стану палива та окиснювача розрізняють гомогенне і гетерогенне горіння. Якщо агрегатний стан палива й окиснювача однаковий і між ними немає поверхні поділу фаз, то вони утворять гомогенну систему. Якщо ж агрегатний стан палива й окиснювача різний, то вони утворять гетерогенну систему.

Якщо швидкість перебігу хімічної реакції між паливом і окиснювачем значно нижча за швидкість утворення горючої суміші, то підсумкова швидкість процесу горіння лімітується лише швидкістю хімічної реакції, тобто процесами хімічної кінетики. Таке горіння називають кінетичним. Якщо ж швидкість підведення окиснювача до палива менша за швидкість хімічної реакції окиснювання, то сумарна швидкість горіння не залежить від швидкості реакції і лімітується лише швидкістю процесу сумішоутворення або процесом дифузії кисню до палива. Таке горіння називають дифузійним.
^

10.2. Закономірності утворення екологічно шкідливих речовин під час горіння палива


Склад продуктів згорання і кількісні співвідношення в них окремих компонентів залежать від властивостей і складу палива, а також від ступеня завершеності реакції горіння. У цьому можна переконатися на прикладі спалювання природного газу, що, як відомо, переважно складається із суми вуглеводнів СnHm. Крім вуглеводнів СnHm, у природному газі, що надходить зі скважини, міститься деяка кількість вологи Н2О і сірководню H2S. Природний газ перед подачею споживачеві очищують, видаляючи з нього вологу і сірководень.

Узагальнене рівняння згорання вуглеводню з утворенням теоретичного складу продуктів згорання має вигляд:

(10.1)

де  – коефіцієнт надлишку повітря; n, m – кількість атомів у молекулі певного вуглеводню; О2 – об’ємна частка кисню в окиснювачі, %.

У результаті згорання вуглеводнів СnНm на одну молекулу паливної компоненти утворюється n молекул вуглекислоти СО2 і m/2 молекул водяної пари Н2О. Названі компоненти належать до так званих парникових газів, збільшення концентрації яких визначає зміну умови теплової рівноваги на поверхні Землі. Крім того, у місцях великої концентрації валових викидів водяної пари можуть бути негативні наслідки, пов’язані з локаль­ною зміною мікроклімату.

Крім продуктів повного згорання СО2 і Н2О, азоту N2 і надлишкової кіль­кості кисню О2 у димових газах можуть міститися продукти неповного згорання у вигляді оксиду вуглецю СО, що в побуті називають чадним газом, водню Н2 і незгорілих вуглеводнів СхHyOz. Одним із токсичних продуктів неповного згорання є формальдегід СНОН. Останній характеризується токсичністю, що у сотні разів більша за токсичність СО.

Серед безлічі реакцій, що відбуваються в зоні горіння, є так звані проміжні реакції, у результаті яких можуть утворюватися сажа С і ароматичні дуже токсичні вуглеводні, основним представником яких є бенз(а)пірен С20Н12.

Сажисті частинки потрапляють у простір у вигляді аерозолів і зі збіль­шенням їх концентрації негативно діють на дихальні органи людини.

Ще більшою екологічною небезпекою для навколишнього середовища є одночасний викид сажі та бенз(а)пірену. Це зумовлено тим, що, маючи високі адсорбційні властивості, частинки сажі концентрують на своїй поверхні бенз(а)пірен, сильнодіючий канцерогенний ефект якого спричиняє ракові захворювання в населення.

Серед проміжних реакцій у зоні горіння відбуваються також реакції дисоціації. Наприклад, реакція дисоціації кисню

О2  2О, (10.2)

у результаті якої з однієї молекули утвориться два атоми кисню.

Атоми кисню О характеризуються підвищеною хімічною активністю і, зіткнувшись зі зазвичай нейтральною молекулою азоту N2 при високих температурах, сприяють реакції утворення так званого термічного оксиду азоту NО

N2  О NО  N . (10.3 )

У результаті реакції (10.3) утвориться активний атом азоту N, що реагує з киснем з утворенням додаткового оксиду азоту і хімічно активного атомарного кисню:

О2  N  NО  О. (10.4)

У продуктах згорання утвориться відповідна кількість оксидів азоту, концентрація яких залежить від багатьох чинників і насамперед від рівня температур у зоні горіння. Тому такі оксиди азоту називають термічні. Теорію їх утворення вперше розробив Я. Б. Зельдович.

У процесі спалювання рідкого і твердого палива, як і з природного газу, утворюються компоненти продуктів повного згорання СО2 і Н2О, що є парниковими газами, а також оксиди сірки SО2 і частково SО3. Оксиди сірки також належать до парникових газів, але найбільша їх екологічна небезпека полягає у високій токсичності і здатності утворювати кислотні дощі.

Природа утворення оксидів сірки під час спалювання рідкого і твердого палива різна.

Під час спалювання рідкого палива одним із джерел утворення SО2
є сполуки, що містять органічну сірку, наприклад метилмеркаптан – СН3S.

Крім того, до складу макромолекули рідкого і твердого палива входить тіофен С4Н4S, що також є джерелом утворення SО2.

Якщо відомо елементарний склад палива, то з хімічного рівняння

S  О2 = SО2 (10.5)

видно, що у процесі спалювання 1 кг палива утвориться 2Sр на 100 кг діок­сиду сірки (де Sр – уміст сірки в робочій масі палива, %).

До складу рідкого і твердого палива входять також азот палива Nр
у вигляді сполук типу піролу С4Н5N і піридину С5Н5N. Ці сполуки можуть бути додатковим джерелом утворення так званих паливних оксидів азоту NО і NО2.

Під час спалювання рідкого і твердого палива, порівняно з природним газом, додатково утворюються не лише оксиди сірки і паливні оксиди азоту, але й виникає проблема з утворенням золи. Це особливо актуаль­но щодо спалювання високозольного твердого палива, зольність якого Ар може перевищувати 30 %. Спалювання твердого палива спричиняє дві екологічні проблеми:

  • викиди частинок золи у вигляді аерозолю в атмосферу;

  • нагромадження великої кількості твердих відходів у вигляді золо-шлакових відвалів поблизу джерела спалювання твердого палива.

Наявність золошлакових відвалів призводить до теплового забруднення літосфери й атмосфери, до спотворення ландшафту і забруднення ґрунтових вод. Потрапляння відповідної до рівня q4 кількості незгорілого палива подовжує окисні та інші реакції всередині відвального об’єму
з утворенням «букета» токсичних газів, що забруднюють атмосферу.

Оксиди азоту NОх і сірчистий ангідрид SО2 – найпоширеніші токсичні сполуки, що викидаються в атмосферу під час спалювання органічного палива в котлах. Рівень викидів NОх і SО2 істотно залежить від виду
і складу палива. Так, утворення сірчистого ангідриду SО2 в димових газах залежить від сірчистості палива, а його валовий викид визначається співвідношенням

МSО2 = 0,02ВSр(1 –)(1 – ), (10.6)

де В – витрата палива, кг/с; Sруміст сірки в робочій масі палива, %; SО2 – частка оксидів сірки, що зв’язується леткою золою в котлі (змінюється в діапазоні 0,02…0,8); SО2 – частка оксидів сірки, що вловлюється у вологому золовловлювачі разом з твердими частинками (залежить від лужності сірки в робочій масі палива і може змінюватися в діапазоні 0…0,8, досягаючи найвищого рівня в умовах великої лужності води та малої сірчистості палива).

Валовий викид оксидів азоту визначається співвідношенням

MNOx = kNOx, (10.7)

де – теплота згорання палива, МДж/кг; kNOx – питомий викид оксидів азоту NO і NO2 у перерахунку на NO2, г/МДж.

Останній показник змінюється в діапазоні 0,12…0,25, г/МДж.

У зв’язку з високою токсичністю NОx в енергетиці різних країн існують обмеження щодо максимальних їх концентрацій у продуктах згорання органічних палив (табл. 10.3).

Таблиця10.3 - Норми гранично допустимих концентрацій оксидів азоту
в димових газах для котлів на природному газі




Країна

Джерело викидів

Граничнодопустимі викиди

Рівень

NOx

Умови визначення

ГДК NOx, якщо

O= 3 % ( = 1,17)

O2, % об.



Голландія

Німеччина

Японія

США

СНД



Котли ТЕС

Котельні установки

Те саме



Котли ТЕС (^ Dо  420 т/год):

1-ї категорії

вищої категорії

Котли ТЕС (Dо < 420 т/год):

1-ї категорії

вищої категорії

200

500

120–200

210


390

350


320

300

3

3

5

6







6

6

1,17

1,17

1,31

1,4







1,4

1,4

200

500

130–200

250


470

420


380

360


Виходячи з рівня питомого викиду kNО2 можна перейти до визначення концентрації оксидів азоту (г/м3) за допомогою співвідношення

2 = kNО2 /г, (10.8)

де г – об’єм димових газів для коефіцієнта надлишку повітря , м3/кг.

Високий ступінь екологічного ризику під час спалювання органічного палива зумовлює потребу реалізувати заходи щодо охорони навколишнього середовища від шкідливих викидів. Ці заходи мають різноплановий характер і різний ступінь ефективності.

Знизити NОx можна:

  • зменшенням коефіцієнта надлишку повітря в топці котла;

  • збільшенням рециркуляції димових газів;

  • зменшенням одиничної потужності пальників;

  • застосування стадійного (або ступеневого) горіння факела в топці котла;

  • подача води або водяної пари в зону горіння.

За наявності відповідних можливостей ефективним засобом є викорис­тання екологічно чистого палива (наприклад, краще природний газ, ніж мазут і тверде паливо). Такий метод належить до групи активних методів охорони навколишнього середовища.

До пасивних методів можна віднести встановлення обмежень на граничнодопустимі концентрації, визначення мінімально допустимої висоти димової труби, що забезпечує дотримання норм приземних граничнодопустимих концентрацій відповідних викидів у населеній місцевості (табл. 10.4).

^ Таблиця 10.4 - Гранично допустимі концентрації і показники відносної небезпечності речовин



Речовина

Максимальна
разова концентрація, мг/м3

Середньодобова концентрація, мг/м3

Відносна
небезпечність

Оксид вуглецю

5

3

1

Вуглеводні

(неканцерогенні)

5

1,5

2

Нетоксичний пил

0,5

0,15

20

Оксид азоту

0,4

0,06

50

Діоксид сірки

0,5

0,05

60

Сажа (кіпоть)

0,15

0,05

60

Діоксид азоту

0,085

0,04

75

Формальдегід

0,035

0,003

1000

Свинець



0,0003

10000

Бенз(а)пірен



0,000001

3000000


Ступінь екологічної небезпеки тієї чи тієї токсичної речовини для людини визначається відношенням дійсної концентрації цієї речовини до [ГДК]i у повітрі на рівні дихання людини. Це відношення ki = Сi/[ГДК]i називають токсичною кратністю цієї i-ї речовини. Воно має бути менше одиниці. За наявності у повітрі одночасно декількох токсичних речовин
у концентраціях, близьких до біологічного впливу на живий організм, отруйний вплив посилюється, тому наявність таких речовин навіть у концентраціях, близьких до [ГДК]i, недопустима. У зв’язку з цим треба підсумовувати токсичні кратності таких речовин. Умову екологічної безпеки повітряного середовища визначають зі співвідношення:

(10.9)

де n – кількість токсичних інгредієнтів.

Ефект сумації (спільної посилювальної дії) виявляють: сажа і канцерогенні вуглеводні; оксиди азоту і канцерогенні вуглеводні; діоксид азоту і формальдегід; оксиди азоту і сірки.
^

10.3. Характеристика шкідливих речовин у продуктах згорання палива і їх вплив на довкілля


Під забрудненням атмосфери розуміють зміну властивостей і погіршення функцій середовища в результаті викидів забруднювальних речовин (твердих, рідких і газоподібних), теплових та радіоактивних викидів
і електромагнітного випромінення, шуму, вібрацій тощо з різних джерел. ^ Забруднювальні речовини – це речовини, що негативно впливають на нав­колишнє середовище (прямо або опосередковано в результаті фізико-хімічних перетворень в атмосфері).

Одночасна дія кількох забруднювальних речовин істотно підсилює їх негативний вплив на людину. Наприклад, імовірність онкозахворювань різко зростає, якщо в організм людини потрапляють канцерогенні речовини разом із сажистими частинками. Останні дані фахівців з комунальної гігієни свідчать, що токсична дія хімічних речовин у поєднанні з шумом і вібрацією зростає у 2,5 – 3 рази. Унаслідок хімічної взаємодії двох токсичних речовин можуть синтезуватися нові шкідливі інгредієнти, більш небезпечні для людини. При взаємодії канцерогенних вуглеводнів і оксидів азоту синтезуються сполуки, що діють на генний фонд людини. На рис. 3.1 наведено структурну схему впливу забруднювальних шкідливих речовин на навколишнє природне середовище.

Показані на схемі зв’язки на практиці реалізуються, ефект їх дії залежить від сили та інтенсивності цих зв’язків. Слабкі складові цієї системи не привертають до себе уваги, ними зазвичай не займаються. Займаються сильними діями, які проявляються значно сильніше та відволікають на себе увагу фахівців, чим затуляють її від аналізу дій слабких факторів.

У цьому приховано велику небезпеку. Ланцюги дій, які нешвидко проявляються та ведуть до необоротних наслідків, іноді довгий час не помітні. Їх можливо зафіксувати лише поглиблено або систематично досліджуючи протягом тривалого часу. Навіть нефахівці відносно легко фіксують деякі проявлення ( ) у їх ранньому стані. Частіше за все починають фіксувати, а потім займатися прямими діями 1 (рис. 10.1). Непрямі дії 2 складніше фіксувати і реєструвати результат їх компенсації, виявляти потребу та мету природозахисних заходів, отримувати якусь віддачу від результатів їх реалізації.



Рис. 10.1 - Структурна схема системи шкідливої дії на навколишнє природне
середовище забруднювальних речовин продуктів згорання палива

Аналізуючи зміст рисунка, можна дійти висновку про те, що треба вести роботу, спрямовану на запобігання прямій шкідливій дії теплоенергетики на навколишнє середовище, оскільки серед результатів дії (  ) немає неважливих і тому завдання компенсування комплексу результатів можливого впливу є також комплексним і поетапним.

Паливно-енергетичний комплекс, енергетика, транспорт і промисловість – (переважно через процеси, пов’язані з горінням) є основними джерелами антропогенного забруднення навколишнього середовища. За масштабом дії забруднення може бути локальне, регіональне і глобальне.

Розглянемо основні шкідливі газові викиди з погляду їх впливу на нав­колишнє середовище.

^ Вуглекислий газ СО2 утворюється в результаті спалювання викопних видів палива, таких як вугілля, нафта, природний газ, штучне та синтетичне паливо і біомаса (деревина). Це основа компонента (з триатомних газів), який спричиняє утворення «парникового ефекту». У результаті неповного згорання виділяється також монооксид вуглецю со – токсичний газ, що шкідливо впливає на серцево-судинну систему людини.

Щорічно в процесі спалювання органічного палива витрачається близько 10 млрд т кисню, що перетворюється на еквівалентну кількість СО2. За останні 20 років ХХ ст. концентрація СО2 в атмосфері зросла на 15 %. Молекули СО2 добре пропускають короткохвильове ультрафіолетове сонячне випромінювання, але поглинають випромінювання в довгохвильовому інфрачервоному спектрі частот, що є причиною підвищення температури атмосфери.

Зниження концентрації СО2 призводить до зниження середньорічної температури планети: якби в атмосфері зовсім не було СО2, уся поверхня Землі покрилася б кригою, а середньорічна температура не перевищувала б рівня 6…10 °С.

Протягом мільйонів років існувала природна рівновага вмісту СО2
в атмосфері, що сьогодні порушується істотно перш за все техногенною діяльністю людства. Окиснювально-відновні реакції горіння органічного палива до середини наступного сторіччя залишаться основою швидко прогресуючої енергетики світу. За цей час уміст СО2 в атмосфері може зрости ще в декілька разів. Як наслідок, у найближчому майбутньому слід очікувати потепління клімату Землі.

Однак є й інший погляд. З початку ХХ ст. до 40-х рр. (відповідно до даних гідрометеорологічних спостережень) середньорічна температура Землі підвищилася приблизно на 0,7 °С, а площа арктичних льодів зменшилася на 10 %. Пояснювали це збільшенням концентрації СО2 в атмо­сфері, зростанням виробництва і споживання енергії, однак за останні
30 років ХХ ст., незважаючи на збільшення СО2 вдвічі, збільшення виробництва і споживання енергії, температура землі не підвищилася, а знизилася. Вважають, що в міркуваннях про «парниковий ефект» не взято до уваги вплив аерозолів – дрібних твердих частинок і крапель рідини, що знаходяться у зваженому стані в приземному шарі, тропосфері і стратосфері.

^ Аерозолі і тверді частинки можуть потрапити в атмосферу вже сфор­мованими (пил, зола, сажа). Значна ж їх частина утвориться безпосередньо в атмосфері в результаті хімічних реакцій між газоподібними, рідкими і твердими речовинами, включаючи водяну пару.

Аерозолі утворюються в результаті природних процесів, хоча чимала їх частка має антропогенне походження. З 1–3 млрд т/рік частинок різного хімічного складу розміром менше 1 мкм, що утворюються над поверхнею Землі, приблизно 20 % – результат практичної діяльності людини (пил, насичені речовини, токсичні метали: свинець, ртуть, кадмій).

Аерозолі техногенного походження, на противагу триатомним газам, здатні впливати на клімат Землі, але в протилежному напрямку. Тверді частинки розсіюють сонячне світло, тому значна його частина не досягає поверхні Землі. У результаті змінюється тепловий баланс в напрямку зниження температури.

Певну роль у матеріальних балансах процесів горіння твердого і рідкого палива відіграють тверді продукти згорання, зокрема зола. Зольність палива залежить від його природи і якості переробки. Розрізняють первинну золу – залишки мінеральних домішок, що входили до складу палива під час його обробки, вторинну золу – сторонні мінеральні речовини, рівномірно розподілені в горючій масі палива, і породу – мінеральні речовини, що потрапили в паливо під час його видобутку. Уміст первинної золи в сухій масі палива практично не перевищує 1–1,5 %, породи – 2–2,5 %. Основними характеристиками золи з погляду її впливу на навколишнє середовище є дисперсність, змішуваність, сипучість, щільність, абразивність і електропровідність.

Викиди можна класифікувати залежно від розмірів частинок: пил – тверді частинки розміром 1…150 мкм; туман – тверді або рідкі частинки 0,2…1 мкм; дим – частинки 0,001…0,1 мкм; аерозолі – переважно скупчення газоподібних молекул розмірами від сотих часток до десятків мікрометрів.

^ Діоксид сірки, або сірчистий ангідрид2 – один із найтоксичніших газоподібних викидів енергоустановок, становить приблизно 90 % викидів сірчистих сполук із димовими газами котлоагрегатів (решта – SO3). Найбільшу кількість сірки містять вугілля і важкі види нафтопродуктів; легкі нафтопродукти містять меншу кількість сірки, і, нарешті, бензин і природний газ практично не мають її у своєму складі.

Діоксид сірки впливає на окиснювання, руйнує матеріали, шкідливо впливає на здоров’я людини. Тривалість його перебування в атмосфері відносно невелика: у порівняно чистому повітрі – 15–20 діб, за наявності великих кількостей аміаку й інших речовин – кілька годин. За наявності кисню SO2 переходить у SO3 і, завдяки взаємодії з водою Н2О, утворює сірчану кислоту. Кінцеві продукти зазначених реакцій розподіляються в такий спосіб: у вигляді осадів на поверхню літосфери – 43 %, на поверхню гідросфери – 13 %; поглинаються: рослинами – 12 %, поверхнею гідросфери – 13 %. Нагромадження сірковмісних сполук здебільшого відбувається у Світовому океані. Вплив цих продуктів на людей, тварин, рослини та різні інші речовини різноманітний, залежить від їх концентрації та інших чинників навколишнього середовища.

^ Оксиди азоту утворюються під час спалювання будь-якого з викопних видів палива, що містять азотні сполуки. Азот утворює із киснем ряд сполук (N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4 і N2O5), властивості яких, активність
і тривалість існування різні і слабко залежать від виду і складу палива. Концентрація оксидів азоту визначається режимом і організацією процесів горіння палива.

Оксиди азоту шкідливо впливають на здоров’я людини, зумовлюють утворення «парникового ефекту» і руйнацію озонового шару. Крім того, оксиди азоту спричиняють «вимирання лісів», «кислотні дощі» тощо.

Озон О3 утворюється на великих висотах (приблизно 30 км) від взаємодії кисню О2 і ультрафіолетового випромінювання сонця, а також на низьких висотах – у результаті фотохімічних реакцій (зокрема, взаємодії оксидів азоту і гідрокарбонатів). Озон спричиняє «парниковий ефект», «вимирання лісів», негативно впливає на здоров’я людини, культивування рослин.

Метан СН4 утворюється в результаті розкладання органічних речовин, наприклад, у сільському господарстві, у процесі вуглевидобутку, нафто- і газовидобутку, газорозподілу і спалювання біомаси. Метан також є причиною виникнення «парникового ефекту».
^

10.4. Нормування вмісту шкідливих речовин у продуктах згорання органічного палива


Як уже відомо з вищенаведеного матеріалу, у продуктах згорання органічного палива, передусім у димових газах ТЕС, опалювально-виробничих котелень та інших промислових і транспортних об’єктів міститься велика кількість шкідливих для навколишнього середовища токсичних речовин. Питомі (табл. 10.5) і валові (табл. 10.6) об’єми викидів теп­лоенергетичних установок залежать від типу палива і потужності об’єкта (останнє стосується тільки валових викидів).


Таблиця 10.5 - Питомі показники забруднення атмосфери (г/кВт г) при згоранні органічного палива за даними Міжнародного інституту прикладного системного аналізу (м. Відень)








Вид палива







Викиди

Кам’яне вугілля

Буре вугілля

Мазут

Природний газ

SO2

6,0

7,7

7,4

0,002

Оксиди азоту

2,1

3,4

2,4

1,9

Тверді частки

1,4

2,7

0,7

-

Фтористі сполуки

0,05

1,11

0,004

-


^ Таблиця 10.6 - Валові викиди (млн кг/рік) та витрата палива ТЕС потужністю 1 000 МВт


Викиди

Вид та річна витрата палива

Природний газ
(1,9109м3)

Мазут
(1,57106 т)

Вугілля
(2,3106 т)

SO2

0,012

52,7

139,0

Оксиди азоту

12,0

22,0

21,0

СО

Незначне

0,08

0,21

Тверді частинки

0,46

0,73

4,49

Гідрокарбонати

Незначне

0,67

0,52

Примітка. Вміст: у мазуті – Sр = 1,6 %; Ар = 0,05 %; у вугіллі – Sр = 3,59 %; Ар = 9 %.


Для електроенергетичної галузі, що витрачає понад 20 % котельно-пічного палива від загального рівня його споживання, характерним є збіль­шення викидів. Це наочно видно з табл.10.7, для якої головною особливістю є тенденція збільшення складового вугілля, яке є більш забруднюючим паливом, і скорочення частки газу й особливо мазуту.


^ Таблиця 10.7 - Структура споживання органічних палив в енергетиці України








Вугілля







Природний

газ




Мазут




Всього

Роки

Натур.

млн. т

Млн. т у.п.

%

Натур.

млн. т

Млн. т у.п.

%

Натур.

млн. т

Млн. т у.п.

%




1990

40,9

26,0

33,4

33,7

38,6

49,6

9,7

13,1

16,8

77,7

1997

17,4

17,4

54,2

11,5

13,1

40,9

1,14

1,55

4,8

32,05


Як бачимо, у тепловій енергетиці України конкуруючими видами палива є вугілля і природний газ, кожний із який має свої переваги і недоліки.

З технологічного погляду перевага тут на боці природного газу як висококалорійного екологічно чистого палива. Газ легко транспортується, зручний для застосування в сучасних енергетичних технологіях, таких, наприклад, як парогазові установки з електричним ККД на рівні 52–60 %. Нагадаємо, однак, що об’єм видобутку газу в Україні (близько 28 млрд м3/рік) задовольняє потребу в ньому лише на 22 %. Тому з погляду енергетичної безпеки стратегічною сировиною (паливом) для України залишається вугілля, промислові запаси якого становлять  26 млрд т. Це може задовольнити потребу в ньому для України протягом кількох сторіч. Незважаючи на те, що останнім часом річний видобуток вугілля знизився до 80 млн т, потенціал вугільної галузі оцінюють приблизно в 100 млн т/рік. Якість донецького вугілля досить висока: = 22,2…26,6 МДж/кг, середня зольність – 22,6 %, хоча в процесі видобутку зольність підвищується до 27–35 %, а теплота згорання зменшується до = 13,8…20,8 МДж/кг.

Токсичні і шкідливі викиди по-різному впливають на навколишнє середовище і мають різні масштаби розсіювання і трансформації в атмосфері (табл. 10.8).


^ Таблиця 10.8 - Розсіювання і трансформація викидів в атмосфері


Речовина

Масштаб трансформації

Відстань, км

Час існування, д

NO

10

1 год

NO2

100

2

SO2

100

2

HNO3

1000

4

H2SO4

1000

4

ПАВ

1000

4

СН4

У глобальному масштабі

10 років


Залежно від інтегральних особливостей впливу на навколишнє середовище всі шкідливі речовини розділяють на 4 класи небезпеки: 1 – надзвичайно небезпечні (бенз(а)пірен С20Н12); 2 – високонебезпечні (формальдегід СНОН, діоксид азоту NO2); 3 – помірно небезпечні (сажа С, діоксид сірки SO2, оксид азоту NO); 4 – малонебезпечні (аміак NH3, оксид вуглецю СО).

Концентрацію шкідливих речовин в атмосфері відповідно нормують. Для цього вводять ГДК, характерні для кожної речовини, і визначення, що змінюються залежно від умов, концентрації. Розрізняють такі рівні ГДК:

  • граничнодопустима максимальна разова концентрація (ГДКм. р) шкідливих речовин у повітрі місцевості, що не викликає протягом 30 хв рефлекторних (спонтанних) реакцій в організмі людини;

  • граничнодопустима середньодобова концентрація (ГДКсд) речовини в повітрі місцевості, що шкідливо не впливає на людину протягом невизначеного тривалого періоду (роки).

Норми граничнодопустимих концентрацій є важливою характеристикою контролю рівня забруднень. Вони різняться для різних країн і регіонів як установленим рівнем ГДК, так і періодом спостереження відповідних концентрацій (табл. 10.9).


^ Таблиця 10.9 - Граничнодопустимі концентрації токсичних газів в атмосфері


Компонента

Країна

Розмір­ність

Концентрація залежно від періоду спостережень

середньо-годинна

середньодобова

середньомісячна

середньорічна

Діоксид сірки SO2

Японія

рpm*



0,04





США

ppm



0,14



0,03

Німеччина

ppm







0,05

Канада

ppm



0,06





Швеція

ppm



0,25





Італія

ppm



0,15






Корея

ppm

0,15








СНД

мг/м3





0,05




Діоксид азоту NO2

Японія

ppm



0,04–0,06



0,02–0,03

США

ppm







0,05

Німеччина

ppm







0,05

Канада

ppm



0,1





Фінляндія

ppm



0,1





СНД

мг/м3





0,04




*ppm – "part pro million" (частин на мільйон по об’єму).


Крім того, для промислових підприємств встановлюють ГДК робочої зони (ГДКр.з).

Граничнодопустимі концентрації встановлюють на рівні дихання людини.

Для характеристики токсичності використовують також показник ток­сичності

Аi = i· i· ai, (10.11)

де i – імовірність нагромадження і-ї компоненти; i – показник впливу на різні об’єкти (крім людини); ai – показник відносної небезпеки (порівняно з СО), визначають як

(10.12)

Характеристики токсичних речовин, що можуть входити до складу продуктів згорання теплоенергетичних установок наведено в табл. 10.10.

Вплив кожної з токсичних речовин визначається рівнем її концентрації в повітрі. Так, якщо концентрація NO2 у повітрі на рівні 150 частинок на мільйон (ррm) або 300 мг/м3, то можливі серйозні захворювання дихальних шляхів людини аж до її загибелі; на рівні 50–100 ррm – небезпечні захворювання на бронхіт або запалення легенів; на рівні 5 ррm (10 мг/м3) – шкідливо для здоров’я людини.

^ Таблиця 10.10 - Екологічні характеристики найбільш імовірних токсичних компонентів у складі продуктів згорання ТЕС



Речовина

ГДК, мг/м3

Клас небезпеки

Поправки токсичності

Показники токсичності

робочої зони

середньодобова

і

і

аі

Аі

Оксид вуглецю СО

20

3,0

IV

1,0

1,0

1,0

1,0

Аміак NH3

20

0,04

IV

1,0

1,2

8,66

10,4

Оксид азоту NO

10

0,06

III

1,0

1,6

10,0

15,0

Діоксид сірки SO2

10

0,05

III

1,0

1,5

11,0

16,4

Сажа С

4

0,05

III

2,0

1,2

17,3

41,5

Діоксид азоту NO2

2

0,04

II

1,0

1,5

27,4

41,5

Формальдегід СН2О

0,1

0,06

II

1,0

1,2

100

120

Метилмеркаптан СН3SH

0,8

910-6

II

1,0

1,0

2890

2890

Бенз(а)пірен С20Н12

1,510-4

10-6

I

2,0

1,0

6,3105

12,6105


Таблиця 10.11 - Норми ГДК (NOх, мг/м3) для викидів з котлоагрегатів (для країн СНД), якщо ? = 1,4


Вид палива

Котли 1-ї категорії

Котли вищої категорії

Парова потужність, т/год

420

>420

420

>420

Природний газ

320

390

300

350

Мазут

340

440

300

350

Буре вугілля
і сланці

550

550

500

500

Кам’яне вугілля, якщо:

NП0,05 %·кг/МДж

NП>0,05 %·кг/МДж



600

790



750

890



500

650



500

700


Як уже відзначено, крім нормування ГДК на рівні дихання людини, існує нормування рівня допустимих концентрацій на виході з димових труб ТЕС. Наприклад, для димових газів ТЕС та інших енергетичних і промислових об’єктів ГДК шкідливих речовин установлює відповідність стану повітряного середовища населених місцевостей гігієнічним нормам у найнесприятливіших метеорологічних умовах.

Для котлоагрегатів норми ГДК оксидів азоту NОх у країнах СНД установлюють, виходячи з концентрації кисню в димових газах на рівні 6 %, вони залежать від категорії котлоагрегатів і типу палива (табл. 10.11).

Для ГТУ сучасні норми ГДК NOх у країнах СНД становлять 150 мг/м3
у димових газах (вміст у них кисню на рівні 15 %).

^

Контрольні запитання


1. Роль органічного палива в розвитку енергетики й енергоспоживання країни.

2. Характеристика повного і неповного згорання палива.

3. Основні стадії спалювання палива .

4. Особливості і характеристики спалювання органічних палив.

5. Утворення екологічно шкідливих речовин у процесі згорання органічного палива.

6. Граничнодопустимі концентрації і показники небезпечності речовин.

7. Характеристики продуктів згорання палива.

8. Характеристика впливу шкідливих речовин на навколишнє середовище.

9. Підстави та особливості нормування вмісту шкідливих речовин
у продуктах згорання органічного палива.

10. Характеристика токсичних викидів і їх впливу на навколишнє середовище.





Схожі:

Розділ 10. Органічне паливо І його використання в енергетиці iconРозділ 13. Вторинні енергетичні ресурси
Раціональне використання вер – один з найбільших резервів зниження паливо та енергоємності промислової продукції
Розділ 10. Органічне паливо І його використання в енергетиці iconДокументи
1. /07-19.20.2-бензини автомоб_льн_ та дизельне паливо по талонах/4063WX630280_ДКТ.doc
Розділ 10. Органічне паливо І його використання в енергетиці iconЗміст розділ загальні положення 2 розділ 2 виробничі та трудові відносини 3 розділ 3 відпустки 7 розділ 4 забезпечення продуктивної зайнятості 9 розділ 5 оплата праці 11 розділ 6 охорона праці 15
Додаток 2 Положення про порядок обрання та прийняття на роботу науково-педагогічних працівників Доннту
Розділ 10. Органічне паливо І його використання в енергетиці iconХарківська національна академія міського господарства с. В. Сніжко Менеджмент в енергетиці
Менеджмент в енергетиці (навчальний посібник для студентів усіх форм навчання напряму підготовки «Менеджмент»)/ Авт. Сніжко С. В....
Розділ 10. Органічне паливо І його використання в енергетиці iconЧастина ІІІ. Паливно- енергетичні ресурси. Паливо
Основою функціонування енергетики як паливно-енергетичного комплек­су є забезпеченість ресурсами в конкретних умовах навколишнього...
Розділ 10. Органічне паливо І його використання в енергетиці iconС. В. Сніжко менеджмент в муніципальній енергетиці
Кайлюк Є. М., Сніжко С. В. Менеджмент в муніципальній енергетиці. Підручник для студентів економічних спеціальностей. / Є. М. Кайлюк,...
Розділ 10. Органічне паливо І його використання в енергетиці iconОрганічне вчення про державу та соціальний дарвінізм герберта спенцера

Розділ 10. Органічне паливо І його використання в енергетиці iconРішення про умови використання творів (записів), тобто управляє власними правами самостійно
Автори та суб’єкти суміжних прав (виконавці, виробники фонограм, організації мовлення) мають виключне право дозволяти або забороняти...
Розділ 10. Органічне паливо І його використання в енергетиці iconДо виконання самостійної роботи з дисципліни «менеджмент в муніципальній енергетиці»
«Менеджмент в муніципальній енергетиці» (для студентів 5 курсу денної І 6 курсу заочної форм навчання напряму підготовки 0502 – «Менеджмент»,...
Розділ 10. Органічне паливо І його використання в енергетиці iconДо виконання практичних занять з дисципліни «менеджмент в муніципальній енергетиці»
«Менеджмент в муніципальній енергетиці» (для студентів 5 курсу денної І 6 курсу заочної форм навчання напряму підготовки 0502 – «Менеджмент»,...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи