Касимов А.М. и др. Современные проблемы и решения в системе управления опасными отходами

Подождите немного. Документ загружается.

- 251 -

Таблица 5.3

Сравнительная структура использования различных видов топлива

Страна

Распределение видов топливных ресурсов, %

Твердое Нефть Газ Ядерное Др. виды

Всего,

Мт н.э.

Великобритания 23 34 32 10 1 219,3

Финляндия 36 27 10 18 9 30,8

Украина 32 16 41 11 0 106,5

*Мт н.э. – мегатонна (10

т) нефтяного эквивалента, 1 т н.э. – 41,86ГДж.

Таблица 5.4

Использование топлива в промышленной энергетике Украины

Вид топлива ТЭК Малая энергетика Всего

Нефть и нефтепродукты, млн. т/млн.т у т. 41/56 22/34 66/90

Уголь, млн. т/млн. т у. т. 128/90 77/34 206/124

Различают полное и неполное сгорание топлива в тепловом агрегате.

При полном сгорании вся его химическая энергия переходит в тепловую, в

продуктах сгорания кроме азота и избытка/недостатка кислорода

присутствуют оксиды горючих элементов высшего порядка – СО

, Н

О,

. В процессе неполного сгорания кроме теоретических продуктов

сгорания возникают продукты недожога – СО, Н

, СН

, С

В табл. 5.5 и 5.6 приведены основные характеристики топлива,

добываемого на Украине и ее энергоресурсы. На рис. 5.1 приведена

структура энергообеспечения потребителя [1]. В табл. 5.7-5.9 приведены

сравнительная структура использования топлива в ряде стран и на

предприятиях промышленной энергетики Украины. На рис. 5.2 показана

схема использования вторичных энергоресурсов (ВЭР).

Таблица 5.5

Характеристики топлива, добываемого на Украине

Виды топлива

Основные характеристики

Летучие,

Содержание

S, %

Влажность,

Зольность,

Теплота сгорания,

МДж/кг

Торф 70 0,1-0,2 30-50 5-23 10,5-14,6

Бурый уголь 40 0-8 30-40 15-30 10-17

Каменный уголь

9-50 0-8 5-17 18-30 24-29

Антрациты 2-9 0-8 5-10 5 26

Полуантрацит 5-9 0-8 5 5 28-30

Традиционные способы получения тепловой и электрической

энергии на ТЭС связаны с загрязнением ОПС оксидами азота, углерода и

серы, пылевидными частицами несгоревшего топлива, твердыми и

- 252 -

жидкими канцерогенными углеводородами, соединениями тяжелых

металлов. В табл. 5.10 приведен элементный состав энергетического

топлива ряда угольных бассейнов Украины и РФ.

Таблица 5.6

Энергоресурсы Украины

Виды топлива

Объемы

Доля собственного

обеспечения, %

Использования Производства

Природный газ 112 млрд. м

22 млрд. м

Нефть 32 млн. т 4,2 млн. т 13

Уголь 100 млн. т 80 млн. т 80

Ядерное топливо ТВЭЛы поставляет РФ 0

Рис. 5.1. Структура энергообеспечения потребителей

- 253 -

Таблица 5.7

Сравнительная структура использования различных видов топлива

Страна

Распределение видов энергоресурсов, %

Твердое топливо

Нефть

Газ

Ядерное топливо

Другие

Всего, Мт н.э.

Англия 23 34 32 10 1 219,3

Финляндия

36 27 10 18 9 30,8

Украина 32 16 41 11 0 106,5

*Мт н.э. – мегатонна (10

т) нефтяного эквивалента, 1 т н.э.-41,86ГДж.

Таблица 5.8

Использование топлива в промышленной энергетике Украины

Вид топлива ТЭК Малая энергетика Всего

Нефть и нефтепродукты, млн. т/млн.т. у.т.

41/56 22/34 66/90

Уголь, млн.т/млн.т у.т. 128/90 77/34 206/124

Таблица 5.9

Основные страны-потребители угля для производства электроэнергии

Страна или регион Доля угля в производстве электроэнергии

Польша 94,8%

Южная Африка 93,0%

Индия 78,3%

Австралия 76,9%

Китай 76,2%

Чехия 66,7%

Греция 62,3%

Германия 52,0%

США 49,9%

Дания 47,3%

Великобритания 32,9%

ЕС15 27,2%

Таблица 5.10

Состав твердого топлива угольных бассейнов Украины и РФ

Бассейн Марка

Состав рабочей массы, %

Летучие, %

Донецкий

ОС

24,4

25,2

23,8

25,4

1,8

2,1

1,6

51,2

61,9

61,1

3,4

3,6

3,2

2,9

0,9

1,1

8,1

5,9

2,2

1,2

Львовско-

Волынский

ГЖ

22,5

32,5

2,1

53,34

8,7

3,5

3,3

0,7

6,7

4,3

Подмосковный

Б2 32 28,6 1,7 26 2,1 0,4 8,2 48

Кузнецкий

ОС

13,2

14,3

14,1

0,4

0,5

0,6

58,6

63,3

72,5

4,2

4,4

3,4

1,9

2,1

1,7

9,7

7,4

1,7

40,5

14,5

- 254 -

Использование ВЭР

Зона А

Использование первичных

энергоресурсов в

технологических агрегатах

Зона Б

Утилизация ВЭР

Регенераторы и рекуператоры

Потери энергии в ОПС

Технологический агрегат

источник ВЭР

Полезная энергия

Выход ВЭР

ВЭР, готовые к

прямому

использованию

ВЭР, требующие

установок утилизации

Неизбежные потери

Экономически выгодная утилизация ВЭР

Фактическое

использование ВЭР

Потребитель

Резерв утилизации

Экономия первичного

топлива

Потребитель

Рис. 5.2. Принципиальная схема использования ВЭР

На рис. 5.3 и 5.4 показаны схема сжигания пылеугольного топлива в

псевдоожиженном слое и схема отрицательного воздействия продуктов

сжигания топлива в энергоустановках на ОПС. В табл. 5.11 приведены

данные о поступлении пыли в атмосферу и выпадении ее в районах

размещения ТЭС мощностью 1000 МВт. Конденсационная электростанция

мощностью 2,5 млн. кВт сжигает около 6 млн. т/год антрацитовой пыли

или около 12 млн. т/год буроугольной пыли.

Рис. 5.3.Схема топки с псевдоожиженным слоем угольной пыли

- 255 -

Рис. 5.4. Схема отрицательного воздействия продуктов сжигания топлива в

энергоустановках на ОПС

Таблица 5.11

Поступление пылей в атмосферу и выпадение на территорию

(

г/кВт-ч//млн. кг/год) в районах размещения ТЭС

Выбросы

Виды топлива

Каменный уголь Бурый уголь Мазут

Пыль 1,4//4,49 2,7//4,49 0,7//0,73

Фтористые соединения

0,05//нет данных 1,11//нет данных 0,004//нет данных

Гидрокарбонаты 0,52// нет данных нет данных 0,67// нет данных

Для перевозки 6 млн. т/год антрацита требуется более 300

железнодорожных вагонов/сут. Транспортные затраты возрастают

пропорционально расстоянию от места добычи угля до ТЭС. Для

электростанции мощностью 4 млн. кВт транспорт высококачественного

топлива становится невыгодным уже на расстоянии 400 км, а

низкокалорийного – более 100 км.

Одним из перспективных методов повышения энергоотдачи твердого

органического топлива является его конверсия. Методы конверсии угля

основаны на его термохимической переработке, в результате которой

получают синтетическое жидкое и газообразное топливо. Синтетическое

жидкое топливо обладает высоким водородно-углеродным соотношением

(

более 1,5), в то время, как для угля оно не превышает 1,0 [1-5].

На рис. 5.5 приведен общий вид ТЭЦ, работающей на газообразном

топливе. Такие станции загрязняют воздушный и водный бассейн

- 256 -

газообразными выбросами (оксиды азота, серы, углерода) и выделением

избыточного тепла.

Рис. 5.5. Общий вид ТЭЦ, работающей на газообразном топливе

Энергетика Украины включает промышленные ТЭС и котельные, все

установки коммунальной энергетики, районные котельные,

промышленные печи, бытовые установки различной мощности,

автономные теплоцентрали. Для них характерен низкий уровень эколого-

экономических и технических показателей. При этом малая энергетика

потребляет более 60% всего добываемого Украиной топлива. Объемы

использования видов газообразного, жидкого и твердого топлива (в

пересчете на у.т.) составляют, соответственно, %: 49, 20 и 31.

Одной из главных задач экологического мониторинга является

изучение процессов миграции загрязняющих веществ (поллютантов) на

ландшафтно-геохимическом уровне, включая такие геохимические уровни,

как элювиальный, элювиально-кумулятивный, кумулятивно-элювиальный,

трансэлювиальный, супераквальный, субаквальный. При таком подходе

возможно проследить зоны аккумуляции поллютантов и интенсивность их

накопления [2-4, 6-10].

Особенностью загрязнения ландшафтов Украины является

консервация загрязнителей в верхней части ландшафта – почвенно-

растительном покрове. Промышленные центры Украины располагаются в

пределах преимущественно равнинных ландшафтов, и при низкой энергии

рельефа характерно их локальное загрязнение (гг. Кривой Рог,

Днепропетровск, Днепродзержинск, Никополь, Запорожье, Донецк,

Макеевка и др.).

- 257 -

Отходы электростанций, работающих на твердом топливе.

процессе работы твердотопливных электростанций образуются

огромные количества золошлаковых отходов (ЗШО) и выбросов пыли в

атмосферу (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Объемы золы энергетических углей в мире в 2000 г., млн. т

Рациональным решением является размещение ТЭС возле мест

добычи топлива с передачей по ЛЭП получаемой электроэнергии. Кроме

этого на охлаждение отработанного тепла и конденсата крупной ТЭС

требуется более 90 м

/с холодной воды. Площадь пруда-охладителя,

обеспечивающего охлаждение указанного количества воды составляет

более 2500 га. Поэтому отмечена четкая тенденция размещения крупных

ТЭС на территории Украины от Северского Донца до Днестра

(

Славянская, Змиевская, Приднепровская, Запорожская, Криворожская).

Доля тепловых электростанций (ТЭС) в энергетическом комплексе

Украины составляет 67,5%. Характерные особенности влияния

предприятий электроэнергетики на экологию – многофакторность

(

одновременное воздействие на атмосферу, гидросферу, биосферу),

разнообразие характера: отчуждение территорий, искажение ландшафта,

механические нарушения, химическое загрязнение, тепловые,

акустические и прочие физические влияния [1, 2, 11].

Например, Змиевская ГРЭС (г. Змиев, Украина) складирует в

собственном отвале более 800 тыс. т/год ЗШ и выделяет в атмосферу около

300

т/сут пылевидных выбросов. На рис. 5.7 приведена угольная эстакада

ТЭЦ, работающей на твердом топливе.

Процесс горения топлива можно разделить на 2 стадии: смешивание

топлива и воздуха и нагрев, зажигание и собственно горение полученной

топливной смеси. Распыленное паром и/или воздухом топливо

смешиваются с воздухом, нагреваются, испаряются, загораются и сгорают

с образованием зольных остатков.

В ЕвроСоюзе в 2001 г. было произведено и утилизировано более

60 млн. т золы от сжигания углей (рис. 5.8). Показатели утилизации золы

угольных электростанций в ЕС (всего 18,7 млн. т) приведены на рис. 5.9.

Золошлаки, образующиеся при сжигании угля на ТЭС, являются

- 258 -

крупнотоннажными отходами. Для их транспортирования применяют

системы гидрозолоудаления. В основном золошлаки транспортируют в

виде пульпы низкой концентрации для размещения в гидрозолоотвалах,

которые являются одним из главных источников загрязнения ОПС при

производстве энергии.

Рис. 5.7. Общий вид угольной эстакады тепловой электростанции

63%

12%

15%

Летучая зола

Шлак

Гипс из систем ДДГ

Топочный шлак

Зола от сжигания в

псевдосжиженном слое

Другие

Рис. 5.8. Производство и утилизация продуктов сжигания углей в ЕС

22%

12%

31%

20%

цементные материалы;

добавки в бетон;

строительство дорог;

смешанный цемент;

заполнитель;

цементные блоки;

другие

Рис. 5.9. Показатели утилизации золы угольных электростанций в ЕС

- 259 -

К настоящему времени в отвалах ТЭС Украины накоплено

358,8

млн. т ЗШО на площади 3170 га. Среднегодовой выход шлаков

достиг 14 млн. т и в связи с ухудшением качества топлива имеет

тенденцию к росту.

Это создает технологические и экологические проблемы, т.к.

увеличиваются производственные затраты и стоимость природоохранных

мероприятий. Данные по использованию топлива на типичной ТЭС

Украины приведены в табл. 5.12 и на рис. 5.10.

Таблица 5.12

Использование энергоресурсов на Трипольской ТЭС (%)

Энергоресурс

Год

2000 2001 2002 2003 2004

Уголь 43,4 65,2 68,1 55,9 76,5

Мазут 0,5 1,3 1,3 0,2 0,1

Газ 56,1 33,5 30,6 43,9 23,4

Рис. 5.10. Объемы использования различных видов топлива на

Трипольской ТЭС

После измельчения и вдувания пылевидного топлива в тепловой

агрегат происходит его подсушка, нагрев и возгорание в факеле с

образованием золошлаков. В зависимости от агрегатного состояния

топлива и окислителя различают гомогенное и гетерогенное горение.

Основа горения – реакции окисления горючих составляющих топлива, в

результате которых входные компоненты превращаются в продукты

сгорания с иными физико-химическими свойствами.

Различают полное и неполное сгорание топлива. При полном

теоретическом сгорании вся химическая энергия топлива переходит в

тепловую, в продуктах сгорания кроме азота и избытка/недостатка

кислорода присутствуют оксиды горючих элементов высшего порядка –

СО

, Н

О, SO

. В процессе неполного сгорания в системе кроме

теоретических продуктов сгорания возникают продукты недожога – СО,

- 260 -

тв

, Н

, СН

, С

В зависимости от массового/объемного соотношения топлива и

окислителя (воздух/кислород) различают стехиометрическое и

нестехиометрическое горение. При стехиометрическом горении

используют теоретически необходимое количество окислителя с

коэффициентом избытка воздуха α=0. В условиях нестехиометрического

горения коэффициент избытка воздуха может составлять α<1 или α>1.

В случае α<1 в системе имеется недостаток кислорода и в продуктах

неполного сгорания присутствуют оксиды высшего порядка и соединения

неполного сгорания СО, С

тв

, Н

, СН

, С

. В случае α>1 в системе имеется

избыток кислорода в продуктах полного сгорания присутствуют оксиды

высшего порядка.

Оценка масштабов загрязнения всех сфер ОПС деятельностью одной

из крупнейших тепловых электростанций Украины – Трипольской ТЭС,

приведены на рис. 5.11-5.12. а,б,в по данным [12].

Добываемые на Украине угли являются основным энергоносителем

и сырьем для коксохимической промышленности и энергетики.

Возникающие при использовании отечественных углей проблемы

определяются высоким содержанием серы (3-4% и более) и зольностью

энергетических углей до 40-60%, дающих основную массу выбросов ТЭС

(67-77%)

и коксохимзаводов (более 50%), а также примесями токсичных

элементов: Hg, As, Pb и др., чем обусловлена критическая экологическая

ситуация промышленных центров Украины. Принципиальная схема

золошлакоулавливания на ТЭС приведена на рис. 5.13.

Помимо экологической проблемы высокая сернистость углей

приводит к усилению коррозии поверхностей нагрева котлоагрегатов ТЭС,

использующих пылеугольное топливо, ограничивает возможности

использования в коксохимии некондиционных по сере углей и экспортные

возможности Украины.

Низкое качество углей, с зольностью 40-60% и сернистостью 4-5% –

это снижение выработки электроэнергии на 25-30% относительно

проектной и необходимость использования для «подсветки» факелов в

котлоагрегатах ТЭС значительного количества мазута (10-20% от массы

сжигаемого угля) и природного газа (70-180 м

/т угля), импортируемых на

Украину.

Традиционный путь снижения выбросов сернистых соединений ТЭС

–

очистка химическими и каталитическими методами не оптимален с

экономической и с экологической точек зрения. Более эффективным

является использование очищенного от серы угольного топлива. Поэтому

разработка технологий и оборудования для предварительной

десульфурации и обогащения коксующихся и энергетических углей

является в настоящее время основной проблемой для Донбасса и в целом

для Украины.