Исследование загрязнения приземного слоя воздуха г.Москвы от вредных выбросов тепловых электрических станций

Проблема снижения вредного воздействия от энергокомплекса наиболее остро стоит для крупных городов в силу концентрации промышленности, коммунального хозяйства и населения, сосредоточения различного типа электростанций на ограниченной территории. Для решения проблемы необходим системный подход по снижению вредного экологического воздействия энергетических объектов крупных городов на основании исследования общей картины загрязнения, анализа существующей атмосфероохранной политики, определения приоритетов и разработки комплекса мер по их реализации. Рассматриваемый подход позволяет наиболее эффективно реализовать атмосфероохранные мероприятия в условиях существующих ограничений.

Одним из важнейших вопросов является определение вклада ТЭЦ в приземную загазованность города, поскольку уровень загрязнения впрямую соотносится с затратами на защиту атмосферы. Известно немало научных работ, авторы которых исследовали рассеивание примесей от различных типов источников. Но эти работы, главным образом, относятся к диффузии примеси в условиях открытой местности, либо к использованию моделей для открытой местности с учетом ряда допущений применительно к условиям города. Химия городской атмосферы, особенно трансформации таких основных загрязнителей, как оксиды азота, изучена недостаточно. С целью определения процессов распространения вредных примесей от дымовых труб теплоэлектроцентралей в условиях города проведены обширные натурные исследования как от выбросов ТЭЦ, так и данных измерения городской сети мониторинга окружающей среды.

В качестве энергетического объекта, на котором проводились натурные исследования распространения вредных выбросов в условиях города, была выбрана ТЭЦ-21 АО "Мосэнерго". Выбор ТЭЦ-21 обусловлен тем, что она является одной из самых мощных московских электростанций с высотой труб 120 м, на долю которых приходится основное количество газообразных выбросов городского энергокомплекса.

Для проведения эксперимента выбиралось холодное время года, которое характеризуется нагрузкой электростанций, близкой к номинальной, и, следовательно, максимальными выбросами исследуемых ингредиентов. В то же время, в холодный период года в топливном балансе велика доля мазута, что позволяет исследовать рассеивание как пассивных (="Arial Unicode MS" COLOR="#000000">SO₂), так и химически превращающихся (NO_x)примесей, а расположение ТЭЦ на окраине города – свести к минимуму влияние других источников загрязнения. Исследования носили комплексный характер и включали следующие виды работ: определение режимных параметров и выбросов из всех котлов ТЭЦ на основании измерений и расчетным путем; метеорологические измерения скорости, температуры и направления ветра в 500-метровом пограничном слое атмосферы на восьми уровнях с помощью Останкинского высотного метеокомплекса; измерение подфакельных и фоновых концентраций оксидов азота и диоксида серы, концентраций озона в приземном слое и определение трансформации NO_хпри движении факела в атмосфере с помощью передвижных лабораторий. Всего проведено три серии экспериментов с участием ЭНИНа, МосЦГКС, Мосэнергоналадки, Института газа АН Украины под общим руководством МЭИ.

Обработка результатов измерений фоновых значений NO₂и SO₂позволила определить статистические параметры фонового загрязнения – их среднюю величину, дисперсию, коэффициенты вариации, а также зависимость от скорости ветра. Выявить зависимость величины значений фоновых концентраций от направления скорости ветра не удалось. Получено, что изменчивость величины фоновых значений концентраций диоксида азота больше, чем диоксида серы, а максимальное значение приходится на диапазон скорости ветра на уровне флюгера 2-3 м/с, в то время, как опасные скорости ветра для рассматриваемой ТЭЦ приходятся на интервал 7-11м/с. В результате установлено, что основными загрязнителями атмосферы, формирующими максимальные уровни загазованности, являются предприятия с низкими источниками выбросов, а также автотранспорт.

Во время натурных экспериментов выбросы оксидов серы и азота от ТЭЦ изменялись в широких пределах. Так, отношение максимального значения выбросов к минимальному в разных сериях экспериментов изменялось для NO_х – в 1,1 - 2,0, для SO₂ - в 2,9 - 4,5 раза. Поэтому при обработке результатов подфакельные приземные концентрации были пересчитаны на одинаковый выброс вредных веществ, равный 1 г/с. Анализу подвергались данные, относящиеся к условиям с одинаковыми характеристиками турбулентного обмена. Определение устойчивости пограничного слоя атмосферы в период натурных исследований и в течение года показало, что преобладающим состоянием атмосферы является 4-й класс, т.е. нейтральная стратификация.

Полученные экспериментальные данные были сопоставлены с результатами расчетов по методикам ИЭМ-МЭИ и ОНД-86. Проведенное сравнение по SO₂ показало, что модель ИЭМ-МЭИ дает завышенное значение максимума концентраций на 25 - 40 %, но более близкое совпадение по местоположению максимума концентраций вдоль оси факела. Поскольку ОНД-86 является единственной нормативной методикой, дальнейший анализ проводился на базе сравнения с указанной моделью. Получено, что из-за повышенной шероховатости городской подстилающей поверхности и связанной с этим увеличенной интенсивностью турбулентности можно отметить ряд различий:

расчетные максимумы концентраций выше экспериментальных значений на 15-25%;

расстояние от источника выбросов, на котором наблюдается максимум концентраций меньше, чем по расчету в среднем на 5-10 высот дымовых труб (уменьшение на 10-30%);

убывание концентраций вдоль оси приземного поля концентраций по направлению движения дымового факела на расстояниях происходит более интенсивно;

рассеивание примеси в направлении, перпендикулярном движению факела, больше, чем определено по методике ОНД-86, что подтверждают данные других исследователей об усиленном горизонтальном турбулентном обмене в условиях города.

Аналогичный анализ данных был проведен для диоксида азота. Сопоставление результатов показало, что максимальные значения концентраций, рассчитанные по ОНД-86, отличаются от экспериментальных в 1,2 - 2,4 раза. На рис.1 приведено сопоставление эксперимента и расчета. Столь значительное расхождение объясняется тем, что в расчетах по ОНД-86 принята трансформация NO в NO₂, равная 80%, в то время как в рассматриваемых условиях степень окисления NO в NO₂существенно меньше по данным натурных исследований МЭИ.

Оксид и диоксид азота имеют различные предельно-допустимые концентрации (ПДК): ПДК NO = 0,4 мг/м³, ПДК NO₂= 0,085 мг/м³, т.е. диоксид азота в 4,7 раз токсичнее оксида азота.

Оценка степени трансформации NO_х согласно озонно-диффузионному методу показала, что доля NO₂ в общей сумме оксидов азота от выбросов ТЭЦ в среднем составляет 31-40% для холодного времени года. Однако в условиях города возможен и радикально-смоговый механизм трансформации NO_х. Для более достоверного определения процессов трансформации и содержания оксидов азота в городском воздухе были проведены дополнительные натурные исследования и статистическая обработка результатов на основании данных постов городской сети мониторинга. Результаты исследования подтвердили положение о том, что полной трансформации оксида азота в диоксид практически не наблюдается, поэтому в расчетах рассеивания оксидов азота в атмосферном воздухе необходимо учитывать частичную степень трансформации оксида азота в диоксид (рис. 2).

Получено, что распределение соотношения моно - и диоксидов азота соответствует логнормальному распределению, что позволяет сделать вывод о представительности и достоверности полученных результатов. Определена зависимость степени трансформации оксидов азота от времени года. Предложено использовать переменный коэффициент степени трансформации оксидов азота, изменяющийся от 50% зимой до 80% летом.

Сравнение экспериментально полученных данных с расчетами по методике ОНД-86 с учетом частичной трансформации выявило те же отличия рассеивания примеси, что и для сернистого газа.

Для мощных ТЭЦ крупных городов (ТЭЦ-11,23,25,26 г.Москвы) нашли применение многоствольные дымовые трубы, подъем дымового факела от которых отличается от одноствольных труб. Для определения полного подъема факела из многоствольных дымовых труб были проведены исследования в аэродинамической трубе, а для обеспечения условий подобия использовался легкий газ гелий, плотность которого более чем в 7 раз меньше плотности воздуха. Это позволило моделировать полный подъем факела под устьем трубы и обеспечить равенство чисел Архимеда на модели и в натурных условиях. В результате проведенных лабораторных экспериментов установлено, что траектория факела имеет четко выраженные динамический и тепловой участки, что позволило проводить обработку результатов в виде двучленной зависимости, отдельно для динамической и тепловой траекторий. Полученные в результате обработки экспериментальных данных формулы траектории и полного подъема факела от многоствольных труб сравнивались с данными натурного эксперимента. Коэффициент корреляции данных = 0,89. Полученные выражения использовались в уточненной модели распространения примесей.

При разработке модели рассеивания примеси в условиях города использовались подходы, принятые в ОНД-86. При этом функции распределения примесей принимают тот же вид за исключением коэффициентов, входящих в расчетные выражения. В модели учитываются как особенности распространения примеси в условиях городской подстилающей поверхности, так и степень трансформации оксидов азота, а также различия подъема дымовых факелов от одноствольных и многоствольных дымовых труб.

Разработанная уточненная модель МЭИ была использована при расчетах приземных полей загрязнения от выбросов оксидов серы и азота московских ТЭЦ с целью оценки вклада энергетического комплекса в общее загрязнение воздушного бассейна города. Результаты математического моделирования показали, что наиболее загрязненной является центральная часть города, где расположены электростанции с низкими дымовыми трубами, которые создают высокие уровни приземных концентраций.

Установлено, что совместное наложение загрязнения от всех станций может привести к созданию на определенных участках территории концентраций SO₂, близких или незначительно превышающих ПДК. При этом вклад от выбросов мощных ТЭЦ на окраинах города (ТЭЦ-21,23,25,26), на которых максимальная доля мазута в зимнее время составляет в отдельные дни 60-70 %, невысок благодаря эффективному отводу продуктов сгорания в атмосферу.

Были проведены расчеты полей приземных концентраций от выбросов ТЭЦ по методике ОНД-86 и модели МЭИ для трех базисных режимов работы энергокомплекса: условий функционирования энергокомплекса 1987г., условий работы 1997г. без учета режимных мероприятий по подавлению оксидов азота и с учетом мероприятий по подавлению. Результаты моделирования позволили выявить ряд особенностей загрязнения воздушного бассейна объектами энергетики. Выявлено, что с увеличением скорости ветра вклад энергетического комплекса в общую загазованность воздуха возрастает значительно в диапазоне 3-7 м/с и практически стабилизируется при скорости больше 7м/с. Для летнего периода долю энергетики в загазованности воздушного бассейна можно считать условно постоянной, начиная со скорости ветра, равной 5 м/с.

В качестве второй особенности следует выделить перераспределение локальных вкладов выбросов электростанций с изменением величины скорости ветра. Так, при скорости ветра = 3 м/с “лидером” по загрязнению выступает ГЭС-1. С увеличением скорости ветра существенный вклад начинают вносить ТЭЦ-9, 22, 21, а также появляются локальные зоны загрязнения от ГЭС-1, ТЭЦ-11, ТЭЦ-16. При скоростях ветра = 7 - 9 м/с главные вклады вносят ТЭЦ-21 и ТЭЦ-22. Результаты моделирования показывают, что существуют площади загрязнения с уровнем концентраций, составляющих диапазон 1,5 - 2,0 ПДК по диоксиду азота.

В результате моделирования по нормативной и разработанной методикам выявлено, что по методике ОНД-86 площадь загрязнения с уровнем загазованности выше ПДК для диоксида азота в зимний период в 4 раза больше, чем летом. При этом максимальные расчетные концентрации достигают 3,5 ПДК зимой и 2,5 ПДК летом. Результаты расчетов по уточненной модели МЭИ показывают, что в сравнении с ОНД-86 для зимнего периода площадь загрязнения в 27-30 раз меньше, максимальный уровень загазованности не превышает 1,0-1,5 ПДК. Для летнего периода величина уровня загазованности существенно не отличаются от зимнего времени года, несмотря на существенное сокращение выбросов оксидов азота в атмосферу. Установлено, что основными причинами повышенного вклада в летнее время являются более высокая, нежели зимой, степень трансформации оксидов азота, достигающая 80%, и пониженный подъем дымовых факелов электростанций, в результате которого приземные концентрации увеличиваются.

Полученные результаты расчетных полей приземных концентраций всего энергокомплекса по данным 1987 г. позволили выделить теплоэлектроцентрали, на которых в первую очередь было необходимо проведение атмосфероохранных мероприятий: по загазованности сернистым газом – это ТЭЦ-7, ТЭЦ-9, ТЭЦ-11, ТЭЦ-12, ТЭЦ-22, по загазованности диоксидом азота - ГЭС-1 с филиалом, ТЭЦ-7, ТЭЦ-9, ТЭЦ-11, ТЭЦ-12. Указанные ТЭЦ (за исключением ТЭЦ - 22) имели в своем составе устаревшее оборудование и низкие дымовые трубы высотой до 100 метров.

Необходимость уменьшения вредного экологического воздействия от выбросов городского энергокомплекса требовала проведения атмосфероохранных мероприятий, которые позволили бы при существующих ограничениях по генерируемым мощностям, местоположению ТЭЦ и уровню технологии процессов снизить загазованность в приземном слое воздуха. Можно выделить следующие основные пути решения проблемы:

Изменение топливного баланса, в том числе локальное для районов города с высокой загазованностью сернистым газом;

Реконструкция и модернизация действующих электростанций старшего поколения;

Режимно-технологические мероприятия, направленные на снижение выбросов и приземных концентраций оксидов серы и азота.

Очистка продуктов сгорания от вредных выбросов ТЭЦ.

Главное направление совершенствования топливного баланса – замещение жидкого и твердого видов топлива газом. Подавляющую часть в топливном балансе г. Москвы составляет природный газ, доля которого увеличилась с 60% в 1980 г. до 95 % в 1997 г. Установлено, что изменение топливного баланса для ТЭЦ, расположенных в центральной части города, позволило практически решить проблему защиты воздушного бассейна от воздействия сернистого ангидрида и золы. Совершенствование топливного баланса, однако, малоэффективно для снижения выбросов и уровня приземных концентраций оксидов азота.

Проведенный нами анализ по использованию режимных мероприятий с целью подавления оксидов азота в топках паровых и пиковых котлов московского энергокомплекса показал, что из наиболее распространенных мероприятий применяются:

замена устаревших горелочных устройств современными с пониженным выбросом оксидов азота;

рециркуляция дымовых газов;

ступенчатое сжигание топлива;

комбинированное (комплексное) использование перечисленных выше мероприятий.

Оценено, что в целом за десятилетие, с 1987 по 1997гг., суммарный выброс оксидов азота снизился на 36%, а снижение выбросов за счет применения методов подавления составляет еще 40% от уровня 1997г. Полученные результаты позволили выделить следующие приоритеты по формированию атмосфероохранной стратегии и управлению качеством воздушной среды.

Для ГЭС-1 с филиалом, ТЭЦ - 9, 16, 21, 22 целесообразно введение мероприятий по подавлению оксидов азота, для ТЭЦ-9, 21, 22 следует дополнительно рассмотреть пути снижения приземных концентраций за счет других методов.

Список литературы

1. Э.П. Волков, В.Б. Прохоров, Н.Д. Рогалев, Н.И. Серебрянников. Экологические аспекты развития теплоцентралей Москвы // Теплоэнергетика.-1990.- № 5.-С.5-11.

2. А.А. Беккер, Э.П. Волков, В.Б. Прохоров, Н.Д. Рогалев, С.В. Сафронов. Исследование содержания оксидов азота в приземном слое воздуха г.Москвы // Теплоэнергетика.-1994. № 6.- С.28-31.

3. Э.П. Волков, В.Б. Прохоров, Н.Д. Рогалев, С.В.Сафронов. Снижение вредного воздействия выбросов в районе расположения ТЭС на окружающую среду на основе оптимизации распределения нагрузки // Теплоэнергетика.-1993.- № 1.- С.8-13.