№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 591.044
© 2014 г. ГЛУЩЕНКО Н.Н., ОЛЬХОВСКАЯ И.П. 1
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЭНЕРГЕТИКИ.
СВОЙСТВА ЧАСТИЦ ЛЕТУЧЕЙ ЗОЛЫ ТЭС, РАБОТАЮЩИХ НА УГЛЕ
Рассмотрены вопросы, связанные с физико-химическими свойствами, составом, дисперсностью частиц летучей золы ТЭС, работающих на угле, обсуждаются экологические проблемы, раскрывающие основные закономерности загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами за счет золы уносов, методы и эффективность очистки энергетических газов при выходе из труб ТЭС. Обсуждаются эколого-сани-тарные проблемы, связанные с заболеванием населения, обсуждается роль наносо-ставляющей золы уносов и ее влияние на жизнедеятельность живых систем.
Летучая зола представляет собой ту часть несгоревшей компоненты топлива, которая уносится из топливосжигающего котла вместе с дымовым газом. Согласно определению ОСТ, летучая зола ТЭС — это зола, содержащаяся в уходящих дымовых газах, выбрасываемых из трубы [1]. Разработанный Стандарт устанавливает порядок определения фракционного состава летучей золы ТЭС, дисперсности, скорости витания частиц, устанавливает нормы предельно допустимых значений и т.д., таким образом регламентирует мероприятия для контроля загрязнения атмосферы выбросами ТЭС. Зола уносов собирается в установках улавливания твердых частиц, в различных частях котла (экономайзер, воздухонагреватель), задерживается рукавными и электрофильтрами, а часть ее уносится через трубы [2]. Поэтому интерес исследователей к летучей золе ТЭС связан, во-первых, с экологическими аспектами энергетики и необходимостью совершенствования природоохранных мероприятий в зоне, прилегающей к ТЭС; во-вторых, с влиянием летучей золы ТЭС на жизнедеятельность растительного, животного мира и человека; в-третьих, с коммерческим интересом к продуктам сгорания угля: золе как присадки при производстве пуццолановых строительных материалов и к ценосферам — перспективному компоненту для получения композиционных составов с эксклюзивными качествами сорбентов.
1. Ценосферы энергетических зол
В процессе сжигания угля при температуре вплоть до 1750°С в результате термохимических и фазовых превращений минеральных компонентов энергетического угля образуются частицы летучей золы, которые представляют собой многокомпонентную систему с доминирующими составляющими в виде оксидов алюминия и кремния, солей Na и K, соединений железа. Химический состав и структура частиц летучей золы варьирует в зависимости от происхождения и предварительной обработки состава угля и условий его сжигания. Наибольший интерес для практического использования представляют ценосферы. Это — легкие алюмосиликатные микросферические мембраны, полость которых наполнена инертным газом или воздухом. Цвет ценосфер из-
1ФГБУ Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе РАН, г. Москва.
меняется от серого до почти белого, плотность составляет 0,2—0,8 г/см3. Из-за низкой плотности ценосферы можно легко выделять гравитационным методом из водной среды [3]. Содержание ценосфер в летучей золе зависит от типа угля и варьирует в широком диапазоне 0,01—4,80 вес. % [5]. Размер частиц колеблется от 5 до 500 мкм. Толщина стенки ценосфер составляет от 2 до 30 мкм. Причем размер ценосфер связан с отношением $Ю2/Л1203: маленькие ценосферы размером <150 мкм имеют высокое значение отношения $Ю2/Л1203. Большие ценосферы (150—250 и >250 мкм) имеют низкое значение отношения $Ю2/Л1203 [6].
Ценосферы — многокомпонентная система: Si02—A1203—Fe203—Ca0—Mg0—Na20— К20—1Ю2, в которой содержание основных компонентов варьирует в пределах: 50—65 вес. % — Si02; 20—36 вес. % — А1203; 2—10 вес. % — Fe203. Кроме макрокомпонентов в состав ценосфер могут входить микроэлементы. Например, Р205, Мп304, У205, /п0, Ва0, £Ю, $03 содержатся в количестве от 0,04—0,84 вес. % в ценосферах тепловой электростанции г. Колли (Австралия), в ценосферах ТЭС г. Таронга (Филиппины) следующие соединения: Мп304, У205, /п0, Ва0, отсутствуют [4]. Водонепроницаемость и безвредность ценосфер делает их полезным продуктом в различных областях промышленности. Так, ценосферы используются в качестве наполнителей в цемент. Например, портландцемент может содержать до 35% летучей золы, которая придает ему повышенную прочность [9]. При разработке и создании легких композиционных материалов (синтактические пены) ценосферы наполняют металлами или полимерами, которые имеют большую прочностью, чем другие пены. Ценосферы, покрытые серебром, используются в различных покрытиях, плитках и тканях. Краски с цено-сферами применяются для антистатического покрытия и электромагнитного экранирования [3]. Ценосферы могут быть использованы в диффузионно-сорбционной технологии разделения газовых смесей, в основу которой положен эффект селективной проницаемости оболочки полых микросфер гелием. Другим развивающимся направлением применения ценосфер является создание на их основе микросферических композитных сорбентов для энергосберегающих технологий отверждения жидких радиоактивных отходов в устойчивой минералоподобной форме. Получены высокоэффективные микросферические композитные сорбенты для извлечения радиоактивных цезия и палладия, активный компонент которых локализован во внутренней полости глобул [5, 6].
Таким образом, в летучей золе ТЭС, работающих на угле, содержится ряд микросферических структур, в т.ч. ценосфер, которые обладают ценными свойствами, позволяющими использовать их в различных отраслях промышленности.
2. Экологические аспекты энергетики
Благодаря эффективному управлению промышленными выбросами, 90,8—99,8 вес. % загрязнений из неочищенного газа удаляются, и только частицы, имеющие размер 10 мкм и меньше, составляют основную массу выбросов в составе золы уносов ТЭС [2, 7]. Кроме основных элементов: А1, Fe, Са, Mg, К, в твердых частицах дымовых уносов присутствуют тяжелые металлы, которые являются естественной составляющей органического топлива. При выгорании органического вещества угля происходит испарение металлов, часть из которых конденсируется на аэрозолях и улетучивается с паром. Другая часть испарившегося металла конденсируется на частицах летучей золы. Учитывая, что мелкие частицы имеют наибольшую поверхность, на них происходит конденсация и трансформация паров металлов. При этом металлы могут присутствовать в различных формах и фазах [8]. Процессы преобразования и распределения микроэлементов при сжигании угля достаточно сложны и связаны с особенностями процессов в технологическом тракте котлоагрегата вплоть до выходного сечения дымовой трубы. Учитывая минеральный состав угля, свойства элементов, температуры топки, и выхода из трубы, конденсацию паров в потоке продуктов сгорания
Рис. 1. Оптическое изображение ценосфер [27]
угля и т.д. были проведены термодинамические расчеты с учетом фазовой и химической кинетики превращения элементов с помощью компьютерной программы, что позволило оценить предельные состояния минеральной составляющей зол уносов для индивидуальных элементов. Так, цинк в температурном интервале 400—2000°К может быть представлен в виде: /п, /пО, /пН, /пС1, /пС12, /пЛ1204, /п$Ю3, /пН202; бериллий, свинец представляют 7 соединений, мышьяк — 8, кадмий и никель — 9, медь и сурьма — 11, мышьяк — 3 и т.д. По мере изменения температуры при движении дымовых газов с расплавленными металлами или испаренными металлами от котло-агрегата до выхода из трубы происходит конденсация и образование на частицах дымовых уносов различных фаз и форм металлов [9, 10].
Металлы и их соединения, сконденсированные на частицах золы, улавливаются различными пылеуловителями, вещества, сконденсированные на частицах ультрадисперсной пыли, проходят электрофильтры ТЭС и попадают в атмосферу, не только теоретические расчеты свидетельствуют о присутствии на частицах золы уносов тяжелых металлов в различных состояниях, включая и металлическое, но и экспериментальные исследования. Так, медь на частицах пыли представлена в виде Си(0Н)2 (59—67%), СиС12 (5—12%), СиО (24—26%), Си$ (3—4%). Однако количественное соотношение и распределение зависит от температуры испарения и конденсации металлов (1123 ^ ^ 473° К) [11]. При изучении зольных частиц на альпийском льду Швейцарии, наряду с другими были обнаружены частицы, обогащенные свинцом, который присутствовал в виде РЬО, РЬС12, РЬ$ и РЬ, причем, элементарный свинец и РЬ$ присутствовали в форме скоплений размером 100 нм, состоящих из частиц размером 3—8 нм. [12]. При исследовании Канадского Заполярья в соответствующих по возрасту слоях были найдены ценосферы, которые образовались в результате излияния колоссальных Сибирских траппов, когда расплавленная порода двигалась к поверхности через угольные пласты. Образовавшаяся зольная пыль покрыла приповерхностные слои воды, которые превратились в смертельно опасные зоны, вызвав гибель 90% морских видов и
Рис. 2. Частицы зольной пыли в древних породах (а) и современных ТЭС (б) [13]
70% наземных позвоночных. Частицы зольной пыли пермского периода похожи на золы уноса современных ТЭС (рис. 2) [13].
Расстояния, на которые могут разноситься частицы золы уносов или осаждение их вместе с атмосферными осадками, зависят от физических свойств золы, погодных условий, розы ветров и т.д. Частицы диаметром 10 мкм и более осаждаются довольно быстро и их воздействие проявляется в непосредственной близости от источника на расстоянии до 3 км. Частицы <10 нм и особенно <2,5 нм могут преодолевать сотни километров, прежде чем осядут. Аэрозоли часто выполняют функцию ядра конденсации металлов [2, 14, 15].
Системы защиты атмосферы от летучей золы включают не только современные способы подготовки и сжигания топлива (пылевое сжигание, сжигание в кипящем слое под давлением и т.д.), но и системы очистки, наиболее эффективными из которых являются электрофильтры или тканевые фильтры, при их использовании достигается уровень выбросов не выше 5 мг/нм3. Лучшие способы очистки дымовых газов от ртути — тканевые фильтры или сочетание, десульфуризации + устройство обеспыливания, они позволяют сократить содержание ртути
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.