Влияние на окружающую среду предприятий теплоэнергетики. Технологические пути снижения вредного воздействия

2. Воды  гидрозолоудаления

     Системы гидравлического удаления золы и  шлама на ТЭС, где топливом служит мазут, отсутствуют; эти системы организуются только на ТЭС, сжигающих твердое топливо.  

     На  ТЭС мощностью 4000 МВт работающей, например, на углях Экибастурского месторождения, необходимо за 1 час  удалить до 1300 т золы и шлака. Это  количество имеет объем около 600 м³; следовательно, за год такая ТЭС была бы буквально погребена под слоем золы и шлака, общее количество которых превысило бы 5 млн м³. При площади промплощадки в 0,6 км² слой золы за год достиг бы высоты примерно 8 м. Во избежании этого золу и шлак гидравлически транспортируют на золошлакоотвалы. Это осуществляется так: зола и шлак смываются из зольных бункеров мощным потоком воды и образовавшаяся пульпа (взвесь золы и шлака в воде) по пульпопроводам направляется на несколько километров от станции на золошлаковые поля. Там зола оседает, а освободившаяся от золы так называемая осветленная вода или сбрасывается в природные водоемы или возвращается обратно на ТЭС для выполнения той же работы.

     К сожалению, еще в 1987 году только третья часть от общего числа систем гидрозолоудаления (ГЗУ) имела оборотное водопользование, а почти 60 % всех систем ГЗУ сбрасывали осветленную воду в природные водоемы, которые погибали, так как осветленные воды от многих топлив содержат крайне ядовитые вещества. Правда, теперь все вновь сооруженные электростанции будут иметь только оборотные системы ГЗУ. Планируется реконструировать на оборотные эти системы и на старых ТЭС. Однако было бы ошибочно предполагать, что оборотные системы ГЗУ полностью решают задачу охраны окружающей среды от вредного воздействия золы и шлака.

     Количество  воды, требующееся для смыва и  гидротранспортировки золы и шлака, примерно в 10 раз превышает массовое их количество. Для нашего примера  это составит 13 тыс м³/час. В оборотных системах ГЗУ это количество воды будет циркулировать, смывая и перенося все новые порции золы и шлака. При этом вода будет выщелачивать, растворять те компоненты золы, которые обладают заметной растворимостью. Каков же будет состав этой циркулирующей в системе гидрозолоудаления воды? Очевидно, этот состав будет зависеть от свойств топлива. Исследование показало, что все твердые топлива можно условно разбить на четыре группы. К первой относятся сланцы, торф и ряд углей восточных месторождений. Оборотные воды ГЗУ, где сжигаются эти топлива, представляют собой насыщенный раствор Ca(OH)₂. Значение рН осветленной воды на таких оборотных  системах ГЗУ достигает 13, а общая щелочность 40 мг-экв/л. вторая группа топлив, к которым относятся, в частности, угли Донецкого бассейна и некоторые угли Кузбаса, дает воды насыщенные сернокислым кальцием. Растворимость этой соли около 2 г/л, считая на CaSO₄. К третьей группе надо отнести такие топлива, осветленная вода ГЗУ которых содержит и сернокислый кальций и щелочь, т.е. насыщена и CaSO₄ и Ca(OH)₂ [8].

     Зола  углей Экибастурского месторождения (четвертая группа топлив) не содержит легко растворимых веществ, вследствие чего воды ГЗУ на таких ТЭС мало минерализованы. Но все без исключения топлива содержат фториды, ванадий, мышьяк, а некоторые даже ртуть, бериллий, германий и другие элементы. Поэтому осветленные воды ГЗУ практически всегда содержат ионы фтора и соединения других, перечисленных выше элементов. Концентрация фтора во многих водах оборотного ГЗУ достигает  
50 ¸ 70 мг/л. Содержание мышьяка составляет примерно 0,5 ¸ 1 мг/л. Такова же в большинстве случаев концентрация соединений ванадия [8].

     Существенным  обстоятельством является то, что  далеко не всегда удается сбалансировать водный режим систем ГЗУ. В них  поступают атмосферные осадки, которые  во многих районах нашей страны не полностью компенсируются испарением с золоотвала. Часто в систему ГЗУ сбрасывают и другие стоки, например нефтезагрязненные воды, отработавшие растворы после химических очисток и консерваций оборудования и т.д. Часть воды остается связанной компонентами золы; например, сернокислый кальций превращается в гипс, поглощая на молекулу CaSO₄ две молекулы Н₂О. Окись кальция и некоторые другие окислы гидратируются. Вода с рядом солей образует кристаллогидраты. Часть воды заполняет поры между частицами золы. Эти процессы могут быть изображены реакциями:

     CaSO₄ + 2 H₂O  ®    CaSO₄×2H₂O

     CaO + H₂O ®     Ca(OH)₂

     MgO + H₂O ®     Mg(OH)₂

     SiO₂ + n H₂O ®    SiO₂×n H₂O

     Наряду  с этим имеются факторы, приводящие к увеличению воды в системах ГЗУ. Значительное количество мелкой золы уносится потоком отходящих топочных газов. Одним из эффективных способов улавливания этой летучей золы является промывание газов водой в так называемых мокрых газоочистителях. Орошение этих систем далеко не всегда возможно осветленной водой, возвращаемой с золоотвала, так как эта вода бывает насыщена Ca(OH)₂ и CaSO₄. При контакте такой воды с дымовыми газами, содержащими СО₂ и окислы серы, на стенках мокрых газоочистителей (скрубберов) и в соплах орошающей системы образуются малорастворимые соли, которые нарушают нормальную работу этих систем.  Вследствие этого для орошения аппаратуры мокрой очистки газов приходится применять свежую воду, количества которой довольно значительны. Все эти причины и приводят к необходимости сбрасывать  из систем ГЗУ от 200 до 400 м³ воды/час. Поскольку эта вода содержит ряд токсичных веществ, ее приходится подвергать обезвреживанию и лишь после очистки либо сбрасывать, либо использовать в системе ТЭС [8].

     Способы и технология обезвреживания сбросных вод ГЗУ в настоящее время разрабатываются. На одной электростанции Свердловской энергосистемы сооружена промышленная установка, действующая по принципу коагуляции. В очищаемой воде создаются хлопья гидроокиси алюминия за счет реакции

     Al₂(SO₄)₃ + 6 NaOH ®   2 Al(OH)₃ + 3 Na₂SO₄

     Образующаяся  гидроокись осаждает фтор, мышьяк и  ванадий [8].

     Обезвреживание  организованного сброса из систем ГЗУ, к сожалению, не полностью устраняет  вредное воздействие этих вод  на природные источники воды. Кроме  организованного сброса, существуют неорганизованные утечки через дамбу, ограждающую золоотвал, и в грунт через его ложе. Решение этой проблемы очень сложное и дорогое, так как надо выстилать ложе золоотвала непроницаемыми для воды материалами. 

3. Обмывочные  и нефтезагрязненные  воды

     Системы ГЗУ характерны для ТЭС работающих на твердых топливах. Особенностью ТЭС, сжигающих жидкое топливо, т. е. сернистые мазуты или нефть, является высокое содержание серы, никеля и  ванадия в топливе. Так сернистые  мазуты от уфимской и сибирской нефти  содержат около 100 г ванадия, 10 ¸ 15 г никеля, и примерно 5 г других металлов в каждой тонне этого топлива [8].

     На  станции мощностью 4000 МВт сжигается  за час 900 т мазута. При этом освобождается 90 кг ванадия, 15 ¸ 20 кг никеля и около 5 кг других металлов. Большая часть этих веществ в виде различных окислов выбрасывается в атмосферу с уходящими газами; от 5 до 15 %  оседает в системе котла на различных поверхностях. Отлегающие в зоне низких температур соединения могут быть смыты водой, так как они состоят из растворимых сульфатов ванадия V(SO₄)₃, ванадила VOSO₄, сульфатов никеля NiSO₄ и железа FeSO₄. Соли железа являются продуктом коррозии металлических поверхностей сернистыми соединениями, главным образом серной кислотой.

     Технология  обработки обмывочных вод с извлечением из них ванадия разработана ВТИ. Она заключается в частичной нейтрализацией этой воды до рН>4. В этих условиях осаждается часть железа и практически весь ванадий. Осадок отделяется и направляется металлургам для выплавки феррованадия, а жидкость подвергается окончательной нейтрализации для полного осаждения железа и других примесей. Освобожденная от металлических соединений вода может быть возвращена для проведения следующих обмывок.

     Физиологические свойства ванадия и его соединений весьма опасны. Соединения ванадия ядовиты. При попадании их в организм человека развивается поражение дыхательных путей, нарушается деятельность сердца, почек и печени.

     Воды, загрязненные нефтепродуктами, т. е. мазутом  и маслами, образуются на всех станциях независимо от вида топлива. На мазутных ТЭС количество этих вод обычно больше за счет конденсатов, получающихся при разогреве мазута. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВТИ предложил установку для очистки  нефтезагрязненных вод (рис. 4)

     Рис 4. Схема многоступенчатой установки для очистки нефтезагрязненных вод

     1 - сборник-усреднитель для удаления осевших и всплывших нефтепродуктов; 2- эжектор для засасывания воздуха и насыщения им воды; 3 - дозатор реагентов - сернокислого алюминия и щелочи; 4 - флотатор; 5 - механический фильтр; 6 - сорбционный фильтр с активированным углем. 

     Нефтезагрязненная вода собирается в бак-отстойник, являющийся также усреднителем. В нем происходит всплывание части нефтепродуктов и  оседание тяжелых фракций. Как всплывающие, так и оседающие загрязнения периодически удаляются. Далее к воде добавляются реагенты – сернокислый алюминий и щелочь, в результате чего образуется осадок Al(OH)₃, хорошо захватывающий нефтепродукты.В аппарате происходит насыщение воды воздухом под давлением 6 кгс/см². Насыщенная воздухом вода поступает во флотатор, в котором вода вскипает вследствие выделения пузырьков воздуха. Пена, содержащая хлопья гидроокиси алюминия и нефтепродуктов, удаляется с поверхности флотатора, а вода проходит механические и сорбционные фильтры, на чем заканчивается ее очистка. Для высокозагрязненных стоков эффективность работы очень высока. Так, в усреднителе остается до 30% нефтепродуктов, если их содержание в поступающей воде было 100 мг/л. Флотатор при этих условиях снижает содержание нефтепродуктов еще на 30 ¸ 40%. Достаточно эффективно работают механические и сорбционные фильтры.

     Следует заметить, что в системах оборотного охлаждения с градирнями возникают  на насадках градирен живые организмы, существующие за счет окисления органических примесей циркулирующей воды. Эти организмы способны окислять также и нефтепродукты, так что сброс грубоочищенных вод в систему оборотного охлаждения не будет приводить к загрязнению нефтепродуктами этой системы. 

2. Влияние сточных вод ТЭС на природные водоемы

     Природные водоемы представляют собой сложные  экологические системы (экосистемы) существования биоценоза - сообщества живых организмов (животных и растений). Эти системы создавались в  течение многих тысячелетий эволюции живого мира. Водоемы являются не только сборниками и хранилищами воды, в которых вода усредняется по качеству, но в них непрерывно протекают процессы изменения состава примесей - приближение к равновесию. Оно может быть нарушено в результате человеческой деятельности, в частности сброса сточных вод ТЭС.

     Живые организмы (гидробионты), населяющие водоемы, тесно связаны между собой  условиями жизни, и в первую очередь  ресурсами питания. Гидробионты  играют основную роль в процессе самоочищения водоемов. Часть гидробионтов (обычно растения) синтезируют органические вещества, используя при этом неорганические соединения из окружающей среды, такие, как СО₂, NН₃ и др.

     Другие  гидробионты (обычно животные) усваивают  готовые органические вещества. Водоросли  также минерализуют органические вещества. В процессе фотосинтеза они при этом выделяют кислород. Основная часть кислорода поступает в водоем путем аэрации при контакте воды с воздухом.

     Микроорганизмы (бактерии) интенсифицируют процесс  минерализации органики при окислении  ее кислородом.

     Отклонение  экосистемы от равновесного состояния, вызванное, например, сбросом сточных  вод, может привести к отравлению и даже гибели определенного вида (популяции) гидробионтов, которое приведет к цепной реакции угнетения всего  биоценоза.

     Так как сбросы воды из систем охлаждения оборудования ТЭС несут в основном «тепловое» загрязнение следует иметь в виду, что температура оказывает мощное воздействие на биоценоз в водоеме. С одной стороны, температура оказывает прямое влияние на скорость протекания химических реакций, с другой - на скорость восстановления дефицита кислорода. При повышении температуры ускоряются процессы размножения гидробионтов.

     Восприимчивость живых организмов к токсичным  веществам с повышением температуры  обычно увеличивается. При повышении температуры до +30 °С сокращается прирост водорослей, поражается фауна, рыбы становятся малоподвижными и перестают кормиться. Кроме того, с ростом температуры уменьшается растворимость кислорода в воде.