автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Экологический анализ локальных систем теплоснабжения

/л-"/ ' и и ~ А . '. • п

(У / - / ' 1 ' л — н

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Сибирское отделение Институт систем энергетики им. Л.А.Мелентьева (ИСЭМ)

УДК 662.992.8:662.613+662.61:66.11/.12

На правах рукописи

Ж у/ ПАВЛОВ Петр Петрович

ЭКОЛОГИЧЕСКИИ АНАЛИЗ ЛОКАЛЬНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук С.П.Филиппов

Иркутск - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................5

В.1. Современное состояние экологических исследований теплоисточников

небольшой мощности на твердом топливе................. 5

В. 2. Постановка задач исследований....................10

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЛОЕВОМ ГОРЕНИИ 16

1.1. Методические вопросы экспериментальных исследований слоевых

теплоисточников.................................16

ХЛЛ.Объекты экспериментальных исследований................16

1.1.2. Особенности сжигания топлива и проведения экспериментальных исследований в мелких слоевых теплоисточниках................. 20

1.1.3. Использованные приборы и оборудование.................25

1.2. Методика расчета удельных энергетических и экологических характеристик мелких слоевых теплоисточников............... 26

1.2.1. Расчет удельных экологических характеристик............ 26

1.2.2. Расчет тепловых потерь и КПД.....................30

1.3. Экспериментальные исследования выбросов вредных веществ теплоисточниками с периодическим сжиганием...............33

1.3.1. Моноксид углерода.............................33

1.3.2. Оксиды азота................................35

1.3.3. Диоксид серы................................37

1.3.4. Твердые частицы..............................38

1.3.5. Сажа и полициклические ароматические углеводороды.........41

1.4. Экспериментальные исследования газообразования в слое......48

2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБ РАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЛОЕВОМ ГОРЕНИИ 52

2.1. Методика термодинамического моделирования процессов слоевого горения........................................ 52

2.2. Моделирование процессов газообразования в слое...........56

2.2.1. Стадия выхода и горения летучих.................... 56

2.2.2. Азотсодержащие продукты пиролиза.................. 60

2.2.3. Серосодержащие продукты пиролиза.................. 63

2.2.4. Стадия горения коксового остатка................... 66

2.3. Моделирование процессов в объеме топки...............68

2.4. Обобщение результатов термодинамического моделирования.....71

3. ОЦЕНКА РОЛИ МЕЛКИХ ТЕПЛОИСТОЧНИКОВ В ЗАГРЯЗНЕНИИ АТМОСФЕРЫ 73

3.1. Анализ структуры теплоисточников г. Иркутска.............73

3.2. Определение объемов вредных выбросов мелкими теплоисточниками ' 78

3.3. Оценка влияния теплоисточников малой мощности на качество воздуха.....................................80

3.3.1. Моноксид углерода (СО) ..........................81

3.3.2. Диоксид серы (502)............................. 83

3.3.3. Диоксид азота (N0?)............................84

3.3.4. Твердые частицы..............................85

3.3.5. Сопоставление расчетных данных и экспериментальных замеров концентраций вредных веществ в атмосфере города................87

3.4. Результаты непрерывного автоматического мониторинга моноксида углерода в атмосфере города Иркутска.....................89

3.4.1, Анализ динамики концентраций СО в атмосфере города......... 90

3.4.2. Влияние метеорологических факторов на содержание СО в атмосфере города........................................94

4. АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДЕРНИЗАЦИИ МЕЛКИХ ТЕПЛОИСТОЧНИКОВ И РЕСТРУКТУРИЗАЦИИ ТОПЛИВОСНАБЖЕНИЯ...........................98

4.1. Анализ технических причин низкой экологической эффективности мелких теплоисточников.................................98

4.2. Оценка эффективности модернизации мелких теплоисточников. ... 101

4.2.1. Мероприятия по модернизации.......................101

4.2.2. Оценка изменения выбросов вредных веществ и качества атмосферного воздуха.......................................104

4.3. Оценка эффективности реструктуризации топливоснабжения мелких теплоисточников..............................109

4.3.1. Оценка изменения выбросов вредных веществ.............. 109

4.3.2. Оценка изменения качества атмосферного воздуха........... 111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................... 115

Литература. Приложения

118 122

ВВЕДЕНИЕ.

В.1 Современное состояние экологических исследований теплоисточников небольшой мощности на твердом топливе.

В настоящее время человеческая цивилизация столкнулась с рядом глобальных экологических проблем, которые угрожают самому ее существованию. Одной из этих проблем является загрязнение городов, в которых в большинстве стран мира, в том числе и в нашей стране, проживает основная часть населения [1]. Жители городов в течение длительного времени подвергаются воздействию широкой гаммы вредных веществ, среди которых есть не только токсичные, но канцерогенные и мутагенные.

Энергетика является одним из основных виновников в сложившейся экологической ситуации [2,22]. Вследствие того, что большая часть энергетических установок находится в городах, особого внимания заслуживает проблема загрязнения воздушного бассейна городов выбросами энергетики. При сжигании органических топлив на электростанциях, в промышленных и коммунальных котельных, различного рода печах в атмосферу городов выбрасывается большое количество пыли, соединений серы и азота, моноксида углерода, тяжелых металлов, полициклических ароматических углеводородов и других вредных веществ.

Особенно сильно загрязнены города, в топливно-энергетическом балансе которых большую долю занимает уголь [3]. К этой группе можно отнести многие российские города, в том числе города Восточной Сибири и Дальнего Востока, где основным сжигаемым топливом является бурый и каменный уголь. Город Иркутск, взятый автором в качестве объекта для экологических исследований, является типичным представителем этой группы городов.

В городах имеются различные виды стационарных энергетических источников, которые составляют основу систем теплоснабжения и степень воздействия которых на атмосферу неодинакова. Последняя определяется типом и мощностью теплоисточника, характеристиками топлива и условиями его сжигания, наличием или отсутствием установок очистки дымовых газов, высотой выброса и другими факторами. Наиболее изученными с точки зрения вредного воздействия на окружающую среду являются крупные теплоисточники - пылеугольные и мазутные котлы [2,4,5,6,7,8]. В данных публикациях достаточно глубоко с научной точки

зрения исследованы процессы образования вредных веществ при пылеугольном горении, очистки уходящих газов, а также распространение выбросов в атмосфере. Вместе с тем, до сих пор отсутствуют глубокие теоретические исследования процессов образования вредных веществ при слоевом горении твердых топлив и не до конца выяснена роль теплоисточников небольшой мощности в общем загрязнении городов. Особенно это касается мелких слоевых котлов и печей индивидуального отопления, составляющих основу локальных систем теплоснабжения (децентрализованных и небольших централизованных).

Чтобы разобраться с этой проблемой обратимся к некоторым фрагментам истории развития слоевых теплоисточников и локальных систем теплоснабжения.

Следует отметить, что основополагающие работы, посвященные мелким теплоисточникам и процессам слоевого горения твердых топлив, относятся еще к 2030-м годам нашего столетия и принадлежат известным русским ученым-теплотехникам Л.К.Рамзину [9,10,11], А. С. Предводите леву [12], Г.Ф.Кнорре [13] и др. Однако целью этих работ являлось исследование тепловых потерь и повышение энергетической эффективности (КПД) работы мелких теплоисточников. При этом не уделялось практически никакого внимания экологическому воздействию этих теплоисточников на природу. Так, например, в данных публикациях моноксид углерода (СО) выступал, не как вредный загрязнитель, а всего лишь как показатель химической неполноты горения. Несмотря на дальнейшее развитие теории горения твердых топлив [14,15], такое положение сохранялось довольно долго.

В последующие годы научные исследования и опытно-конструкторские работы были сосредоточены в области пылеугольного сжигания и казалось, что пылеугольные котлы полностью вытеснят из энергетики мелкие слоевые котлы с их низкой энергетической и экологической эффективностью. Но этого не произошло. Причина заключается в наличии технических и экономических ограничений на применение пылеугольных котлов для целей теплоснабжения мелких потребителей. Новые перспективные способы сжигания угля (например, в кипящем слое) по объективным причинам (технически сложные и дорогие) не нашли широкого применения в мелких теплоисточниках.

Ретроспективный обзор литературы показал недостаток внимания со стороны отечественной науки к проблемам мелких теплоисточников, в которых до сих пор используются старые экологически опасные технологии сжигания.

В настоящее время в связи с ухудшением экологической обстановки в городах, ужесточением экологических ограничений на выбросы и развитием децентрализованных систем теплоснабжения, снова возрос интерес к малым теплоисточникам [16,17,18]. Появление новых более совершенных приборов для измерения и контроля вредных веществ, например, портативных газоанализаторов, позволило проводить качественные всесторонние исследования содержания вредных веществ в выбросах мелких теплоисточников. Так в [19], с помощью портативного многокомпонентного газоанализатора исследовано влияние различных факторов (нагрузки, конструкции горелок, добавления влаги в зону горения и т.д.) на содержание в уходящих газах вредных веществ. Однако в этой работе рассматривались только отопительные котлы на жидком и газообразном топливе, которые характеризуются стационарным процессом горения. Сжигание же твердого топлива в слоевых котлах (особенно с периодической загрузкой топлива) сопровождается сильной неравномерностью всех характеристик горения в течении периода (цикла) горения. Что определяет особенности проведения измерений и расчета характеристик процесса периодического горения.

Все возрастающий интерес к мелким теплоисточникам объясняется еще и тем, что последние являются основными поставщиками в атмосферу городов продуктов неполного горения, к числу которых относятся и наиболее опасные загрязнители -канцерогенные вещества [20, 21]. В [21] проанализированы вопросы образования бенз[а]пирена и указывается на значительные выбросы его мазутными котлами малой производительности. Однако, как и в предыдущих публикациях, здесь не рассмотрены слоевые котлы на твердом топливе и домовые печи. Как было сказано выше, их экологические исследования начались лишь в последние годы и носят фрагментарный характер, т.е. не содержат комплексного анализа вредного воздействия таких источников на атмосферу городов. Последний включает:

• всесторонние исследования процессов образования вредных веществ при горении топлив;

• получение надежных данных по удельным выбросам вредных веществ в атмосферу рассматриваемыми источниками;

• определение их вклада в суммарные валовые выбросы загрязнителей в атмосферу города и влияния на уровень концентраций вредных веществ в воздушном бассейне;

• выработку рекомендаций (мероприятий) по их экологическому совершенствованию.

Всесторонние исследования процессов горения топлив позволяют раскрыть закономерности образования многих вредных веществ и наметить технические мероприятия по их подавлению. К сожалению, теоретические представления о горении твердых топлив и, тем более, образования при этом вредных веществ, не развиты в полной мере и до настоящего времени. Причиной служит трудность экспериментального исследования и теоретического описания этого явления, включающего в себя сложную совокупность физических и химических стадий.

Приоритетные работы в формулировке математических моделей и физических механизмов горения принадлежат Н.Н.Семенову и Я.Б.Зельдовичу [22,23,24]. Однако в этих работах изучались преимущественно процессы горения газов и гораздо меньше внимания уделялось исследованию процессов образования вредных веществ при горении твердых топлив. Для описания последних используются методы химической кинетики [25,26,27], тепло- и массопередачи [28,29], термодинамики [30,31] и других научных дисциплин. В указанных публикациях достаточно хорошо описаны методы применения рассматриваемых научных дисциплин в процессах пылеугольного горения твердого топлива, имеющих стационарные условия. Процесс слоевого горения (особенно периодического) твердого топлива в отличие от пылеугольного характеризуется большой нестационарностью условий и характеристик горения, что вызывает значительные трудности при его теоретическом исследовании. Поэтому для теоретических исследований процессов образования вредных веществ при слоевом периодическом горении твердых топлив требуется разработка нового методического подхода.

В основе такого подхода может находиться термодинамическая модель экстремальных промежуточных состояний (МЭПС) [38, 54, 55]. МЭПС разработана в лаборатории термодинамики Института систем энергетики (бывшего Сибирского энергетического) под руководством Б.М.Кагановича, С.П.Филиппова и Е.Г.Анциферова. Она имеет огромные потенциальные возможности для моделирования рассматриваемых процессов и позволяет решать некоторые классы задач, связанные с* изучением ' процессов образования вредных веществ в энергоустановках [56,57,58,59,60].

По мнению автора эффективность применения МЭПС существенно возрастает, если использовать в качестве ограничений дополнительную информацию,

полученную путем натурных экспериментов и расчетов с помощью кинетической модели. Поэтому в настоящей работе при исследовании процессов образования вредных веществ при слоевом горении угля автором сделана попытка совместного применения методов термодинамики (МЭПС), кинетики и экспериментальных данных.

Базовой информацией при экологическом анализе воздействия источника на атмосферу городов являются удельные выбросы им вредных веществ. Обзор литературы показал недостаточность данных по удельным выбросам мелких теплоисточников для корректной количественной оценки роли малой энергетики в загрязнении атмосферы городов. Известные методики расчета этих показателей [32,33] подготовлены на основе опыта эксплуатации котлов, применяемых в Европейской части бывшего СССР для сжигания донецких, кузнецких и подмосковных углей. Обоснованность использования данной методики для углей Восточной Сибири и местных теплоисточников не доказана и в литературе не обсуждалась. Соответствующие стандартные нормативные методики для мелких слоевых котлов и особенно для домовых печей вообще отсутствуют. Все это заставило автора провести экспериментальные исследования мелких слоевых теплоисточников и получить надежные данные по удельным выбросам вредных веществ слоевыми котлами и домовыми печами, сжигающими угли местных месторождений.

Негативное воздействие теплоисточников на атмосферу города определяется не только мощностью выбросов загрязнителей, но и создаваемым источниками уровнем концентраций вредных веществ в воздушном бассейне. В некоторых работах [18,19] указывается на значительное влияние мелких теплоисточников на качество воздуха. Вместе с тем в этих публикациях нет четких данных по относительному вкладу мелких источников (особенно слоевых отопительных котлов и домовых печей) в суммарный уровень концентраций вредных веществ в атмосфере города. Он определяется на основе сопоставления средних за зиму концентраций загрязнителей в атмосфере города, создаваемыми рассматриваемыми источниками и полученными на модели рассеивания вредных выбросов. Известная отечественная модель рассеивания ОНД-86 [62] не позволяет получать среднезимние концентрации вредных веществ, поэтому при оценке вклада отдельных групп теплоисточников в общую среднюю за зиму концентрацию какого-либо вещества, автором использовалась крупномасштабная модель рассеивания выбросов КСБТЗ. Эта модель проверена в

ряде стран и как показывают результаты ряда работ [51,52], достаточно достоверна и надежна.

В завершении нужно отметить, что недостаточность экологических исследований теплоисточников небольшой мощности усугубляется тем, что последние практически не контролируются государственными природоохранными органами [34], а также организациями котлонадзора [35]. Ввиду этого наблюдаются некачественная эксплуатация источников, моральное и физическое старение оборудования, сжигание низкокачественных топлив и т.д. Это подтверждают результаты их обследования [36,37], показывающие высокие концентрации вредных веществ в уходящих газах и низкий КПД мелких слоевых теплоисточников.

В.2 Постановка задач исследований.

Из проведенного автором анализа тематической литературы следует, что, во-первых, отсутствуют глубокие теоретически�