3. Методы и средства снижения вредных выбросов энергетических установок в окружающую среду

Результаты исследований и разработок, выполненных в последние годы по изучению процессов образования и взаимодействия вредных выбросов энергетических объектов с окружающей средой и их энергофизическому мониторингу, позволяют осуществить ряд мероприятий по уменьшению нежелательных воздействий на окружающую среду при производстве энергии.

Апробированные технологии можно разделить на пассивные и активные методы.

Основным направлением пассивного подхода к предотвращению возникновения опасных концентраций загрязняющих веществ в окружающей среде ЭС является использование рассеивающих свойств атмосферы, воды, почвы в естественных процессах конвективного и диффузионного переноса примесей.

Однако надо заметить, что суммарное количество примесей, поступающих в окружающую среду, при таком подходе не снижается.

Поэтому все большее внимание уделяется активным методам снижения выбросов энергетических установок электростанций за счет воздействия на процессы преобразования энергии – сжигания топлива или приготовления горячих смесей, а также удаления вредных веществ из продуктов сгорания, потоков теплоносителей и других технологических сред до их выброса в окружающую среду.

Основные методы и средства в каждом из направлений заключаются в следующем.

3.1. Пассивные методы

1. Рассеивание в атмосфере дымовых выбросов

Задача рассеивания вредных примесей от дымовых газов элекростанций решается на основе представления о строении и движении воздуха в атмосфере. Атмосфера окружает Землю и простирается в высоту на сотни километров, однако основное количество воздуха содержится в слоях, непосредственно примыкающих к земной поверхности, так в слое до 5 км высотой содержится 50%, в слое до 11 км – 75%, а в слое до 30 км – 99% общего количества воздуха.

По характеру изменения температур и давлений с высотой атмосфера подразделяется на пять слоев (рис.1).

Рис.1. Строение и основные характеристики атмосферы

Наибольшее значение для рассеивания имеет нижний слой, простирающийся от земной поверхности до высоты примерно 11 км, называемый тропосферой. В нем температура воздуха монотонно падает в среднем на 0,65⁰С на каждые 100 м подъема от земной поверхности. Если принять на уровне моря t_возд = 15⁰С, то на внешней границе тропосферы будет t_возд = - 56⁰С. Выше этого слоя температура не меняется, сохраняясь на этом уровне вплоть до высоты 40 км в слое, называемом стратосферой.

Состав сухого воздуха по объему в этих слоях характеризуется следующими данными: азота 78.084%; кислорода 20.946%; аргона 0,934%; углекислого газа 0,032% и в очень малых количествах некоторых других газов.

С татика атмосферы характеризуется изменением давления и плотности неподвижного воздуха с высотой в условиях равновесия (рис.2)

Рис.2. К выводу формулы изменения

статического давления атмосферы с высотой

Постольку изменение давления на нижней грани воздушного столба плотностью ρ и высотой dz обусловливается его весом dG в поле земного тяготения, то с учетом уравнения состояния и граничных условий можно записать следующую систему уравнений:

(11)

Учитывая, что изменение абсолютной температуры в интересующем диапазоне высот невелико, после интегрирования можно получить искомую зависимость изменения статического давления атмосферы с высотой, называемую формулой Больцмана:

(12)

Динамика атмосферы характеризуется практически непрерывным движением воздуха, всегда носящего турбулентный характер. У поверхности Земли в потоке воздуха возникает явление внутреннего трения, которое описывается известным соотношением

(13)

где - касательное напряжение трения;

- плотность воздуха;

Kz – коэффициент турбулентности в вертикальной плоскости;

dU/dZ – изменение скорости ветра с высотой.

С учетом поведения параметров атмосферы с высотой (см. рис.1) можно условно разделить движение воздуха на три слоя, выделив в атмосфере приземный слой (до примерно 40 – 70 м), пограничный (примерно до 1 км) и свободную атмосферу (выше 1 км). Соответственно можно получить три аналитических решения для характеристики динамики атмосферы.

1 . Для приземного слоя: напряжение трения достигает наибольшей и почти постоянной величины, а коэффициент Kz изменяется линейно с высотой от почти нулевого значения на поверхности Земли до некоторого максимального значения на границе следующего пограничного слоя, то есть:

(14)

Отсюда следует известный логарифмический закон распределения скорости c высотой:

, где (15)

2. Для пограничного слоя (от 40 – 70 м до 1 км) характерно постепенное падение напряжения трения при примерно постоянном значении Kz=Kzm и выравнивании профиля средней скорости ветра с высотой (уменьшении ).

3. Для свободной атмосферы (выше 1 км) напряжение трения и градиент изменения средней скорости ветра практически равны нулю:

. (16)

Здесь средняя скорость ветра остается постоянной , и для рассеивания дымового облака становятся существенными пульсационные характеристики скорости. Последние зависят от большого количества факторов, таких как шероховатость прилегающей поверхности (рельефа местности), скорости абсолютного движения, распределения температуры с высотой, называемого температурной стратификацией.

Для характеристики последней зависимости вводится специальное понятие сухоадиабатический градиент, то есть изменение температуры частички воздуха, перемещающейся в сухой атмосфере по вертикали без теплообмена с окружающей средой.

Для сухого воздуха значение сухоадиабатического градиента составляет

, (17)

соответствуя понижению температуры воздуха примерно на 0,65⁰С на каждые 100 метров подъема.

Турбулентная диффузия примесей. Турбулентный характер движения воздуха обеспечивает перемешивание (диффузию) примесей в атмосфере, которая в отличие от молекулярной (по закону Фика), называется турбулентной диффузией (за счет турбулентных пульсаций). Описывается следующим уравнением турбулентной диффузии в виде связи изменений концентрации примеси C в пространстве и во времени:

, (18)

Уравнение получается из рассмотрения материального баланса диффундирующего вещества в элементарном объеме атмосферного воздуха аналогично выводу уравнения молекулярной диффузии с учетом вклада конвективного переноса в направлении скорости ветра U.

В условиях изотропной турбулентной диффузии, когда коэффициенты в любом направлении можно считать постоянными и равными между собой, уравнение принимает более простой вид:

. (19)

Решение этого уравнения достаточно легко (по стандартным программам) находятся численными методами на ЭВМ, давая детальную количественную картину рассеивания примесей.

Для стационарных условий, когда , возможно получение аналитического решения, показывающего качественный характер зависимостей при некоторых упрощающих предположениях.

Так, допуская, что выбросы в атмосферу из объемных источников в силу их малых размеров можно считать точечными, и принимая граничные условия в виде:

при - на бесконечном удалении,

С = 0 при Z = 0 – у поверхности воды (поглощение примеси) (20)

при Z = 0 – у непроницаемой поверхности почвы

(за счет уноса примеси снова в атмосферу),

а также считая U=const – постоянной скорость ветра вдоль оси x, в условиях - изотропной диффузии, получим по методу источников решение:

(21)

Здесь в сферической системе координат - расстояние от точки выброса; x – проекция этого расстояния на ось x в направлении скорости ветра, М – величина выброса.

Это решение можно использовать для определения концентрации вредных примесей на поверхности Земли, полагая, что поперечные размеры дымового облака, выбрасываемого из дымовой трубы, значительно меньше продольных (то есть y,z<<x).

Принимая затем, что на значительном удалении от источника , и заменяя в уравнении (r – x) приближенным выражением

(22)

и поместив начало координат в точку 0, расположенную у основания дымовой трубы с эффективной высотой Н, для концентрации С получим:

(23)

на высоте Z =H

(24)

на уровне Z = 0

Рис.3. К схеме метода фиктивного источника

Записанные решения соответствуют случаю полной проницаемости земной поверхности для примесей. Для учета уноса части примесей обратно в атмосферу с турбулентными потоками можно, как это сделал О.Саттон, ввести второй фиктивный источник на высоте Z= - H (рис.3).

Суммируя решения от обоих источников, получим выражение

, (25)

отвечающее граничному условию непроницаемости при Z= 0.

При этом концентрация примеси на уровне земли будет равна:

, (26)

Это вдвое больше, чем при полной проницаемости земной поверхности.

Как видно, наибольшее значение имеет концентрация на оси факела (y=0), для которой из формулы следует:

при y=0. (27)

Координаты точки максимума концентрации на земной поверхности определяются из условия

Дифференцируя и находя корни, можно получить точку максимума концентрации примесей , а также выражение для определения максимальной концентрации

(28)

Как видно, в простейших условиях максимальная концентрация примесей на уровне поверхности земли прямо пропорциональна количеству выбросов, обратно пропорциональна скорости ветра и квадрату высоты трубы.

В реальных случаях при расчетах выбросов из дымовых труб ТЭС задача существенно усложняется в связи с необходимостью учета состояния атмосферы, неоднородностей турбулентной структуры, подъема факела над устьем трубы и др., однако структура зависимостей по основным факторам остается аналогичной.

Одна из формул, рекомендованных методикой Главной Геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова для практических расчетов концентрации примесей в приземном слое атмосферы, выглядит следующим образом:

, (мг/м³), (29)

где А – коэффициент температурной стратификации атмосферы, зависящий от метеорологических условий,

М – суммарный выброс загрязняющих веществ;

Н – высота дымовой трубы, м

V – объем выбрасываемых дымовых газов (м³/с),

Т – разность между температурой газов и окружающим воздухом;

m, n – безразмерные коэффициенты, зависящие от скорости выхода газов из трубы;

F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость осаждения твердых частиц золы в атмосфере (для газовых примесей = 1);

N – число дымовых труб.

Отсюда, минимально допустимая высота дымовой трубы при сооружении ТЭС для обеспечения необходимых ПДК определяется по формуле:

(30)

Нормированная методика расчета позволяет определить все необходимые коэффициенты и рассчитать основные параметры дымовых труб в зависимости от мощности и района расположения станции. В настоящее время освоенными являются дымовые трубы высотой 320 – 360 м, осваивается строительство труб высотой 420 м и более.

Вопрос о предельной мощности ТЭС по условиям защиты биосферы от вредных воздействий дымовых газов должен решаться с учетом имеющегося топлива, фоновой загазованности места сооружения, возможностей снижения выбросов активными методами.