Токсичные вещества в топливе и дымовых газах

Токсичными (вредными) называются химические соединения, отрицательно влияющие на здоровье человека и животных.

Вид топлива влияет на состав образующихся при его сжигании вредных веществ. На электростанциях используется твердое, жидкое и газообразное топливо. Основными вредными веществами, содержащимися в дымовых газах котлов, являются: оксиды (окислы) серы (SO₂ и SO₃), оксиды азота (NO и NO₂), оксид углерода (СО), соединения ванадия (в основном пентаксид ванадия V₂O₅). К вредным веществам относится также зола.

Твердое топливо. В теплоэнергетике используют угли (бурые, каменные, антрацитовый штыб), горючие сланцы и торф. Состав твердого топлива схематично представить.

Как видно органическая часть топлива состоит из углерода С, водорода Н, кислорода О, органической серы S_opr. В состав горючей части топлива ряда месторождений входит также неорганическая, пиритная сера FeS_2.

Негорючая (минеральная) часть топлива состоит из влаги W и золы А. Основная часть минеральной составляющей топлива переходит в процессе сжигания в летучую золу, уносимую дымовыми газами. Другая часть в зависимости от конструкции топки и физических особенностей минеральной составляющей топлива может превращаться в шлак.

Зольность отечественных углей колеблется в широких пределах (10—55%). Соответственно изменяется и запыленность дымовых газов, достигая для высокозольных углей 60—70 г/м³.

Одной из важнейших особенностей золы является то, что частицы ее имеют различные размеры, которые находятся в диапазоне от 1 —2 до 60 мкм и более. Эта особенность как параметр, характеризующий золу, называется дисперсностью.

Химический состав золы твердого топлива достаточно разнообразен. Обычно зола состоит из оксидов кремния, алюминия, титана, калия, натрия, железа, кальция, магния. Кальций в золе может присутствовать в виде свободного оксида, а также в составе силикатов, сульфатов и других соединений.

Более детальные анализы минеральной части твердых топлив показывают, что в золе в небольших количествах могут быть и другие элементы, например, германий, бор, мышьяк, ванадий, марганец, цинк, уран, серебро, ртуть, фтор, хлор. Микропримеси перечисленных элементов распределяются в различных по размерам частиц фракциях летучей золы неравномерно, и обычно их содержание увеличивается с уменьшением размеров этих частиц.

Твердое топливо может содержать серу в следующих формах: колчедана Fe₂S и пирита FeS₂ в составе молекул органической части топлива и в виде сульфатов в минеральной части. Соединения серы в результате горения превращаются в оксиды серы, причем около 99% составляет сернистый ангидрид SO₂.

Сернистость углей в зависимости от месторождения составляет 0,3—6%. Сернистость горючих сланцев достигает 1,4—1,7%, торфа —0,1%.

Соединения ртути, фтора и хлора находятся за котлом в газообразном состоянии.

В составе золы твердых видов топлива могут присутствовать радиоактивные изотопы калия, урана и бария. Эти выбросы практически не влияют на радиационную обстановку в районе ТЭС, хотя их общее количество может превышать выбросы радиоактивных аэрозолей на АЭС той же мощности.

Жидкое топливо. В теплоэнергетике применяются мазут, сланцевое масло, дизельное и котельно-печное топливо.

В жидком топливе отсутствует пиритная сера. В состав золы мазута входят пентаоксид ванадия (V₂O₅), а также Ni₂O₃, A1₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂, MgO и другие оксиды. Зольность мазута не превышает 0,3%. При полном его сгорании содержание твердых частиц в дымовых газах составляет около 0,1 г/м³, однако это значение резко возрастает в период очистки поверхностей нагрева котлов от наружных отложений.

Сера в мазуте находится преимущественно в виде органических соединений, элементарной серы и сероводорода. Ее содержание зависит от сернистости нефти, из которой он получен.

Топочные мазуты в зависимости от содержания в них серы подразделяются на: малосернистые S^р<0,5%, сернистые S^p = 0,5+ 2,0% и высокосернистые S^p>2,0%.

Дизельное топливо по содержанию серы делится на две группы: первая—до 0,2% и вторая—до 0,5%. В малосернистом котельно-печном топливе содержится серы не более 0,5, в сернистом — до 1,1, в сланцевом масле — не более 1%.

Газообразное топливо представляет собой наиболее «чистое» органическое топливо, так как при его полном сгорании из токсичных веществ образуются только оксиды азота.

Зола. При расчете выброса твердых частиц в атмосферу необходимо учитывать, что вместе с золой в атмосферу поступает несгоревшее топливо(недожог).

Механический недожог q1 для камерных топок, если принять одинаковым содержание горючих в шлаке и уносе.

В связи с тем что все виды топлива имеют разную теплоту сгорания, в расчетах часто используют приведенные зольность Апр и сернистость Sпр,

Характеристики некоторых видов топлива приведены в табл. 1.1.

Доля твердых частиц _ун, уносимых из топки, зависит от типа топки и может быть принята по следующим данным:

Камеры с твердым шлакоудалением., 0,95

Открытые с жидким шлакоудалением 0,7—0,85

Полуоткрытые с жидким шлакоудалением 0,6—0,8

Двухкамерные топки...................... 0,5—0,6

Топки с вертикальными предтопками 0,2—0,4

Горизонтальные циклонные топки 0,1—0,15

Из табл. 1.1 видно, что наибольшую зольность имеют горючие сланцы и бурые угли, а также экибастузский каменный уголь.

Оксиды серы. Выброс оксидов серы определяется по сернистому ангидриду.

Как показали исследования, связывание сернистого ангидрида летучей золой в газоходах энергетических котлов зависит в основном от содержания оксида кальция в рабочей массе топлива.

В сухих золоуловителях оксиды серы практически не улавливаются.

Долю оксидов, улавливаемых в мокрых золоуловителях, которая зависит от сернистости топлива и щелочности орошающей воды, можно определить по графикам, представленным в методичке.

Оксиды азота. Количество оксидов азота в пересчете на NO₂ (т/год, г/с), выбрасываемых в атмосферу с дымовыми газами котла (корпуса) производительностью до 30 т/ч, может быть рассчитано по эмпирической формуле в методичке.

При сжигании в энергетических котлах жидкого и газообразного топлива значения коэффициента р_х принимаются равными: