Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор и выбор направления исследований 12
1.1. Анализ воздействия тепловых энергетических предприятий на качество атмосферного воздуха застроенных территорий 12
1.2. Анализ методик расчета и нормирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от источников предприятий теплоэнергетики 18
1.3. Анализ подходов к оценке закономерностей распространения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы 24
1.4. Анализ методик расчета рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы 29
1.5. Выбор направления исследований 32
1.6. Выводы по главе 1 34
ГЛАВА 2. Исследование аэродинамических характеристик твердых частиц, поступающих в атмосферный воздух с выбросами от источников ТЭП 36
2.1. Характеристика объектов обследования 36
2.2. Методика проведений исследований 37
2.3. Результаты дисперсионного анализа 42
2.4. Математическая обработка результатов дисперсионного анализа пыли золы 54
2.5. Оценка аэродинамических характеристик твердых частиц, поступающих в атмосферный воздух с выбросами от источников теплоэнергетических предприятий 62
2.6. Выводы по главе 2 67
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования по оценке загрязнения атмосферного воздуха городских территорий выбросами ТЭП 69
3.1. Характеристика объекта обследования и методика проведения исследований 69
3.2. Результаты предварительного эксперимента 78
3.3. Результаты основного эксперимента 83
3.4. Сопоставление результатов предварительного и основного экспериментов 89
3.5. Выводы по главе 3 93
ГЛАВА 4. Практическая реализация результатов исследований 95
4.1. Определение концентраций частиц PM10 и PM2,5 для выбросов пыли от источников предприятий теплоэнергетики
4.2. Исследование химического состава и сорбирующей способности пыли золы 102
4.3. Разработка расчетной модели для учета наложения факелов выбросов 104
4.4. Рекомендации по предварительному расчету санитарно-защитных зон 108
4.5. Выводы по главе 4 111
Заключение 113
Библиографический список
- Анализ методик расчета и нормирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от источников предприятий теплоэнергетики
- Математическая обработка результатов дисперсионного анализа пыли золы
- Сопоставление результатов предварительного и основного экспериментов
- Исследование химического состава и сорбирующей способности пыли золы
Анализ методик расчета и нормирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от источников предприятий теплоэнергетики
При выработке тепла на тепловых электростанциях России структура топливного баланса представлена следующим образом: доля природного газа составляет порядка 60%, угля и мазута соответственно 30% и 10%. При этом мазут используется только для растопки котлов и подсветки при сжигании низкореакционных углей [8, 9, 30, 31, 32, 34, 53, 55, 63, 84, 93, 97, 103]. В энергетике США и Китая уголь, как главная альтернатива газу, является ведущим теплоносителем, и его доля составляет 50 и 80% соответственно, в Польше достигает 96%. Прогнозируемое сокращение поставок природного газа на действующие электростанции потребует увеличения доли угля в теплоэнергетике. При этом основное сокращение объемов газа приходится именно на Европейскую часть России, где приблизительно 70% электростанций работают на газомазутном топливе [8, 9, 30, 31, 32, 34, 53, 55, 63, 84, 93, 97, 103]. В настоящее время на территории России уголь используют 143 теплоэлектростанции, 16 энергетических предприятий из числа самых крупных ГРЭС частично или полностью работают на угле. Численность котельных, использующих уголь как топливо, не установлена. Большая часть работающих на угле теплоэлектроцентралей размещена на Урале (Челябинская и Свердловская области), в Сибири и на Дальнем Востоке (Иркутская, Кемеровская, Пермская, Читинская области и т.д.). Во многих городах РФ (Барнаул, Красноярск, Абакан, Горно-Алтайск, Улан-Удэ и др.) более 70% источников теплоснабжения используют твердое топливо [8, 9, 30, 31, 32, 34, 53, 55, 63, 84, 93, 97, 103].
При работе энергетических котлов выделение в атмосферный воздух загрязняющих ингредиентов определяют нагрузка котла и вид используемого топлива [8, 9, 30, 31, 32, 34, 53, 55, 63, 84, 93, 97, 103].
Так, при сжигании природного газа основной загрязнитель воздушной среды – оксиды азота, объем выбросов которых в среднем на 20% меньше, чем в случае использования угля. Это обусловлено тем, что при сжигании газа коэффициент избытка воздуха выше, чем при сжигании угля [8, 9, 30, 31, 32, 34, 53, 55, 63, 84, 93, 97, 103].
Сжигание мазута обеспечивает поступление в атмосферу сернистого и серного ангидридов, оксидов азота, газообразных и твердых продуктов неполного сгорания топлива, соединений ванадия, солей натрия, а также веществ, удаляемых при очистке с поверхности котлов [8, 9, 30, 31, 32, 34, 53, 55, 63, 84, 93, 97, 103].
С другой стороны, эксплуатация тепловых электростанций, муниципальных и производственных котельных, работающих на угле, приводит к образованию значительного количества (более 90% образующихся на тепловых электростанциях) отходов в виде золы и шлака, размещение которых на территории предприятия до транспортировки в золошлакоотвалы обусловливает поступление в атмосферный воздух мелкодисперсной пыли. При этом не учитываются ни содержание в пыли золы различных химических элементов, ни ее сорбирующие свойства [108].
Анализ методик расчета и нормирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от источников предприятий теплоэнергетики
В соответствии с [89] в настоящее время в России для расчета, нормирования и контроля выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от источников теплоэнергетических предприятий рекомендовано несколько методик [70, 71, 74, 104, 105]. Проведенный анализ показал, что одна из них, изложенная в [74], является наиболее современной и базируется на разработанных ранее [70, 71, 104, 105].
Методика [74] разработана для обеспечения методологических основ определения и установления максимальных удельных нормативов выбросов (УНВ) загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферный воздух от источников действующих котельных установок.
В соответствии с [74] как основные показатели УНВ принимаются суммарное количество j-го загрязняющего вещества, отнесенное либо к единице тепловой энергии, вводимой в топку котла, либо к 1 т условного топлива.
Если электроэнергия и тепловая энергия вырабатываются совместно, то, согласно [74], норматив максимального удельного выброса, приходящегося на единицу продукции, не устанавливается, но в качестве ориентировочного показателя может быть определен по годовым выбросам ЗВ и годовой выработке электрической и тепловой энергии.
Методики [70, 71, 74] устанавливают методы определения количества загрязняющих веществ в отходящих дымовых газах. К числу этих методов отнесены: - теоретический (балансовый), который на основе материальных (при необходимости и тепловых) балансов технологических процессов с учетом химического состава и свойств исходного топлива, геометрических и конструктивных особенностей котлов, технологических параметров проведения процесса для достижения максимальной производительности позволяет определить количество и состав загрязняющих веществ; - расчетно-аналитический (инструментальный), заключающийся в определении объема выхода дымовых газов, анализе концентрации и состава загрязняющих веществ в них на основе инструментальных замеров [70, 71, 74].
Применение каждого из методов регламентируется в [74]. Так, например, для определения удельных выбросов оксидов серы применяется балансовый метод. Этот же метод может использоваться при определении выбросов золы с учетом среднеэксплуатационной эффективности очистки газов в золоуловителе с использованием зависимости, приведенной в [71].
Для определения удельных выбросов оксидов углерода установлено применение только расчетно-аналитического метода, так же как и для оксидов азота. Однако для последних в исключительных случаях, т.е. когда невозможно проведение инструментальных замеров, допускается применение теоретического метода на основе положений, изложенных в [104].
Математическая обработка результатов дисперсионного анализа пыли золы
На ГРЭС исследовались выбросы от угольного котла, от дробления угля и на золоотвалах (площадка №1, «сухая»; площадка №2, «конус сухой»), на втором – в зоне жилой застройки, на территории которой расположен золоотвал районной котельной. Отбор проб и проведение измерений проводились в соответствии с требованиями, изложенными в [40-45, 95]. При этом использовались приборы и вспомогательные средства, перечень которых приведен в таблице 2.1. При отборе проб на площадках золоотвалов ГРЭС 6 аспираторов размещались с наветренной стороны от площадки (основные замеры), и 1 (фоновый) находился с подветренной стороны. Замерные точки располагались на равноудалённых расстояниях от площадки в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 2.4. При отборе проб в месте размещения золоотвала котельной расположение замерных точек выбиралось с условием исследования экологической ситуации в районе размещения объекта и местах пребывания населения (рисунок 2.5).
Образовавшееся в результате этого пылевое облачко попадает в верхнюю часть седиментационного цилиндра с высотой 1140 мм и диаметром 160 мм. Частицы с различной скоростью оседают на липкой ленте, расположенной на ленточном транспортере, которая перемещается на величину диаметра цилиндра через равные промежутки времени 2 с [62].
Результаты дисперсионного анализа
Результаты определения дисперсного состава частиц, поступающих в атмосферный воздух с выбросами от источников обследованных объектов теплоэнергетики, представлены на рисунках 2.6 – 2.17. Для оценки результатов анализа были построены интегральные функции пофракционного распределения массы частиц и для каждого d определена массовая доля частиц с диаметром не более этого d.
На рисунке 2.6 представлены микрофотографии частиц, содержащихся в выбросах от угольного котла ГРЭС. Распределение массы частиц по диаметрам характеризуется интегральными кривыми распределения, построенными в вероятностно-логарифмической сетке координат [46] (рисунок 2.7).
Анализ полученных данных показывает следующее: диапазон изменения крупности твердых частиц в выбросах от угольного котла составляет 1-30 мкм; медианный диаметр равен 23 мкм; на долю частиц с размерами менее 20 мкм приходится 30% массы, из которых, в свою очередь, масса частиц РМ10 и РМ2,5 составляет 16% и 1,7% соответственно.
Графическая зависимость, характеризующая распределение массы по диаметрам частиц, поступающих в атмосферный воздух при дроблении угля На рисунке 2.8 представлена микрофотография частиц пыли, содержащихся в выбросах от угольной мельницы, и на рисунке 2.9 – графическая зависимость, характеризующая пофракционное распределение массы частиц, выделяющихся при дроблении угля.
При проведении этой технологической операции содержащиеся в выбросах частицы имеют следующие параметры: изменение размеров в пределах от 5,5 до 60 мкм; медианный диаметр 28 мкм; масса частиц с размерами до 20 мкм составляет 15%, из них 12% массы приходится на частицы РМ10.
На рисунке 2.10 показаны графические зависимости распределения массы по диаметрам твердых частиц, содержащихся в пробах, отобранных в точке 1 (рисунок 2.4).
Анализ полученных данных о дисперсном составе пыли золы, поступающей в атмосферный воздух непосредственно на золоотвале и на разных расстояниях от него, не позволил установить закономерности изменения пофракционного распределения массы частиц. Однако результаты исследований позволили выделить некоторые важные особенности. Так, независимо от скорости ветра (при изменении в диапазоне 2-9 м/с) размер частиц пыли золы не превосходит 50 мкм, о чем свидетельствуют графические зависимости, показанные на рисунке 2.11. Уже на границе золотвала наибольший диаметр пылевых частиц составляет 27-35 мкм (рисунок 2.12), на расстоянии 100 м от рассматриваемых источников пыления – не превышает 25-30 мкм (рисунок 2.13). На рисунке 2.14 приведены графические зависимости, описывающие пофракционное распределение массы частиц, поступающих в атмосферный воздух на расстоянии 1000 м от золоотвала, т. е. на границе санитарно-защитной зоны ГРЭС. В этом случае размер частиц не превышает 10-13 мкм и такое пофракционное распределение массы по размерам в первом приближении можно рассматривать как фоновое.
Сопоставление результатов предварительного и основного экспериментов
В таблицах 3.8-3.10 приведены результаты экспериментальной оценки (основной эксперимент) фактического уровня загрязнения воздушной среды городской территории вредными ингредиентами, содержащимися в выбросах ТЭЦ-2.
Как было указано в п.п. 3.1, исследования проводились в трех зонах. В таблице 3.8 в качестве примера приведены осредненные данные, полученные по результатам проведенных замеров в точках наблюдений, расположенных на границе СЗЗ предприятия (точка №1 – у забора в юго-западном направлении, точка №14 – в северо-западном направлении).
В табл. 3.9 показаны данные, полученные в точках №2, №3, №4, №5, №10, №12, №13, №15, №16, №17, №18, №19, расположенные на незастроенной территории, примыкающей к территории ТЭЦ-2.
В жилой застройке (III зона) измерения проводились в точках №6, №7, №8, №9, №11. Результаты приведены в таблице 3.10. Таблица 3.8 - Результаты определения фактического уровня загрязнения атмосферы в санитарно-защитной зоне
Проведенный анализ показывает, что экспериментально полученные данные о фактическом уровне загрязнения атмосферного воздуха городской территории, прилегающей к обследуемому теплоэнергетическому предприятию, существенно отличаются от результатов расчетов, выполненных на основании положений [73]. Разница прослеживается по обоим исследуемым веществам (азота диоксид, серы диоксид). При этом наибольшие расхождения (48-52%) отмечаются для точек №1-4, расположенных на линии, соединяющей точку с источником выбросов, параллельной вектору направления скорости. Следует отметить, что эта разница ощутима на довольно больших расстояниях (например, точка №4 находится на расстоянии 6 км от источников выброса). Поэтому было высказано предположение о том, что в рассматриваемом случае, т.е. при параллельном расположении вектора скорости ветра и соединяющей центры источников прямой, в этих точках наблюдений сказывается влияние наложения факелов выбросов, которое не учитывается при проведении расчетов по [73].
В расчетных точках №5-9, №18, №19 по обоим веществам наблюдается меньшее расхождение (34-36%) между данными предварительного и основного экспериментов. Можно предположить, что это – результат частичного наложения факелов выбросов.
Следовательно, можно отметить, что, когда вектор направления ветра параллелен прямой, соединяющей центры источников (труб), влияние наложения факелов выбросов от высоких близко расположенных нагретых источников: ощутимо в расчетных точках, расположенных на линии, соединяющей точку и источник, параллельной этому вектору; менее ощутимо в расчетных точках, находящихся на линии под углом 45 по и против часовой стрелки к вектору; неощутимо в расчетных точках, находящихся на линии под углом 90 и более по и против часовой стрелки к вектору.
Аналогичная картина наблюдается и при других направлениях ветра. Так, например, при восточном направлении ветра наибольшее расхождение между расчетными и фактическими значениями концентрации (31-38%) отмечается в точках №5-9, т.е. по вектору направления ветра. В точке наблюдения №9 влияние наложения факелов выбросов несколько меньше (таблица 3.11).
Проведено обследование территории района размещения ТЭЦ-2 г. Волгограда в трех зонах: на границе СЗЗ; незастроенной территории между СЗЗ и жилой застройкой; в городской застройке. 2. По действующей методике ОНД-86 проведена расчетная оценка уровня загрязненности воздушной среды территории города газообразными компонентами выбросов ТЭЦ-2. 3. По данным натурного обследования получены результаты, характеризующие фактическое загрязнение воздуха газообразными ингредиентами в обследуемой городской территории Красноармейского района г. Волгограда. 4. Расхождение расчетных и измеренных значений свидетельствует о возможном в определенных условиях влиянии наложения факелов на распределение концентраций в воздушной среде городской территории.
По результатам выполненных исследований установлено, что, когда вектор направления ветра параллелен прямой, соединяющей центры источников (труб), влияние наложения факелов выбросов от высоких близко расположенных нагретых источников: ощутимо в расчетных точках, расположенных на линии, соединяющей точку и источник, параллельной этому вектору; менее ощутимо в расчетных точках, находящихся на линии под углом 45 по и против часовой стрелки к вектору; неощутимо в расчетных точках, находящихся на линии под углом 90 и более по и против часовой стрелки к вектору.
В соответствии с действующей методикой ОНД-86 при расчетах рассеивания не выявлено влияние возможного наложения факелов выбросов, что может при принятии градостроительных или проектных решений, а также при планировании природоохранных мероприятий обусловить недостоверность данных, получаемых при прогнозировании или расчетной оценке уровня загрязненности воздушной среды урбанизированных территорий.
Исследование химического состава и сорбирующей способности пыли золы
На стадии предпроектных работ для вновь строящихся предприятий теплоэнергетики, при выполнении проекта ОВОС, когда окончательно не определено расположение источников выбросов в атмосферу проводить оценку границ представляется возможным СЗЗ по предлагаемой методике.
На основе результатов экспериментальных исследований получены расчетные зависимости для концентраций частиц РМ10 и РМ2,5 в выбросах от золоотвала районной котельной, при изменении средней концентрации пыли и метеорологических факторов (скорости ветра, относительной влажности и направления ветра).
Разработана расчетная методика и предложена эмпирическая зависимость для учета наложения факелов выбросов от близко расположенных высоких источников горячих выбросов при расчете рассеивания загрязняющих компонентов в атмосфере и определении границ санитарно-защитной зоны ТЭП.
Разработана методика расчета границ СЗЗ для теплоэнергетических предприятий городской инфраструктуры на стадии предпроектных работ. В работе рассмотрены важные вопросы по исследованию функционирования технических средств и инженерных систем городов как источников антропогенного воздействия на окружающие экосистемы, а именно исследование функционирования котельных, ТЭЦ, ГРЭС, котельных как источников антропогенного воздействия на состояние атмосферного воздуха, размещенных вблизи урбанизированных территорий.
В связи с этим решается такая задача как совершенствование систем нормирования, лицензирования, сертификации и требований экологической безопасности, проектной и изыскательской деятельности при строительстве и эксплуатации городского хозяйства, в частности совершенствование методик прогнозирования уровня загрязнения воздушной среды городов твердыми частицами и газообразными примесями, содержащихся в выбросах, образующихся при производстве тепловой и электрической энергии сжиганием природного газа и угля.
На основании результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы по работе: При сжигании угля в атмосферный воздух поступают твердые и газообразные примеси, имеющие 1-4 классы опасности (бенз/а/пирен, марганец и его соединения, пыль неорганическая 70-20% SiO2, азота оксиды, сажа, углерод оксид и т.д.).
При этом более 90% образующихся на ТЭП отходов в виде золы и шлака временно размещаются на территории промплощадки или непосредственно в пределах жилой застройки, что обусловливает поступление в атмосферный воздух мелкодисперсной пыли. При этом не учитываются ни содержание в пыли золы различных химических элементов, ни ее сорбирующие свойства.
В настоящее время удельные нормативы выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от котельных установок теплоэнергетических предприятий устанавливаются для оксидов серы, оксидов азота, оксида углерода, летучей золы твердого топлива. Расчет нормативов выбросов от золоотвалов не производится, и эти выбросы рассматриваются как сверхлимитные.
По результатам дисперсионного анализа пыли золы, выделяющейся от организованных (котлоагрегаты) и неорганизованных (золоотвалы) источников выбросов ТЭП с различной мощностью, установлено, что в атмосферный воздух поступают твердые частицы, основная масса которых имеет размеры до 20 мкм. При этом дисперсный состав пыли в выбросах подчиняется усеченному логарифмически-нормальному закону. Доказано что для интерполяции функции пофракционного распределения массы частиц целесообразно использовать трехзвенные линейные сплайны.
По результатам экспериментальной оценки аэродинамических характеристик частиц летучей золы, поступающей в воздушную среду жилой застройки от золоотвала и котлоагрегата котельной, работающей на угле, получены зависимости, характеризующие скорость оседания частиц. На основании которых могут быть рассчитаны коэффициент оседания F (ОНД-86) и другие характеристики.
Для определения концентраций частиц РМ10 и РМ2,5 в выбросах от золоотвала районной котельной в воздушную среду жилой застройки предложена экспериментальная зависимость, учитывающая изменение средней концентрации пыли и климатические факторы (скорость ветра, относительную влажность и температуру окружающего воздуха).
Разработана расчетная модель и предложена зависимость для уточнения расчетных значений приземных концентраций газовых примесей от источников ТЭП в воздушной среде городских территорий с учетом положения факелов выбросов (труб) и направления ветра с целью оценки уровня загрязнения атмосферы и предварительного расчета границ СЗЗ на стадии разработки проектной документации. По результатам экспериментальных исследований выявлено, что, если вектор направления ветра параллелен прямой, соединяющей центры источников (труб), влияние наложения факелов выбросов от высоких близко расположенных нагретых источников ощутимо в расчетных точках, расположенных на линии, соединяющей точку и источник, параллельной этому вектору, менее ощутимо в расчетных точках, находящихся на линии под углом 45 по и против часовой стрелки к вектору и неощутимо в расчетных точках, находящихся на линии под углом 90 и более по и против часовой стрелки к вектору.
Экспериментально установлено, что зола имеет способность сорбировать тяжелые органические соединения выбросов в атмосферу от автотранспорта (до 70%), и имеет в своем составе целый спектр различных химических элементов, большую часть которых составляют элементы легче фтора, а также кремний, алюминий и железо. Эти соединения и химические элементы вместе с частицами пыли золы поступают в воздушную среду городской застройки, усиливая негативное воздействие мелкодисперсной пыли на состояние окружающей природной среды и здоровье населения.
Результаты исследований использованы в: ООО «ЭкоПромПроект» при расчетах рассеивания загрязняющих веществ в рамках проектов ПДВ; ООО «Ассоциация Экотехмониторинг» при разработке систем пылеулавливания; в ООО «ПТБ Волгоградгражданстрой» при оценке загрязнения атмосферы твердыми выбросами котельных с учетом дисперсности летучей золы.
