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

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Наряду  с газообразными выбросами теплоэнергетика является «производителем» огромных масс твердых отходов; к ним относятся хвосты углеобогащения, золы и шлаки. Отходы углеобогатительных фабрик содержат 55-60% SiOх, 22-26% AlхOх, 5-12% FeхOх, 0,5-1% CaO, 4-4,5% KхO и NaхO и до 5% С [2]. Они поступают в отвалы, которые пылят, «дымят» и резко ухудшают состояние атмосферы и прилегающих территорий.

     Сейчас  наша техногенная цивилизация сформировала мощный поток восстановительных газов, в первую очередь вследствие сжигания ископаемого топлива в целях получения энергии.

     Основную  часть выброса занимает углекислый газ – порядка 1 млн. т в пересчете на углерод 1 Мт. Почти вся минеральная составляющая топлива переходит в процессе сжигания в летучую золу, уносимую дымовыми газами. Химический состав золы твердого топлива достаточно разнообразен. Летучая зола состоит из оксидов кремния, алюминия, титана, калия, натрия, железа, кальция и магния. Кальций в золе может присутствовать виде свободного оксида, а также в составе силикатов, сульфатов и других соединений. Зола электростанций также содержит повышенные концентрации тяжелых, редко земельных и радиоактивных веществ [3].

     Выбрасываемые в атмосферу из дымовых труб электростанций токсичные вещества оказывают вредное  воздействие на весь комплекс живой природы. Что касается неблагоприятного влияния выбросов на людей, то наиболее подробно изучено влияние взвешенных веществ (зола  ТЭС) и диоксида серы.

     Твердые частицы золы, превышающие размер 2-5 мкм, отделяются в верхних дыхательных  путях и, следовательно, не слишком опасны. Однако иногда эти частицы могут оказывать большое разрушающее действие, чем мелкие. При попадании в глаз крупные частицы могут вызывать сильное раздражение, и даже ожог. Частицы меньшего диаметра размера поступают внутрь дыхательного тракта, накапливаются в лимфатических узлах и могут привести к отложению пыли в легких. Кроме общего отрицательного воздействия загрязнения приземного воздуха и поверхности земли твердыми частицами, вредными для дыхательных путей, в золе топлива в малых дозах примеси металлов, обладающих высокой токсичностью, например мышьяка, свинца, ртути и др. [3].

     Масштаб загрязнения окружающей среды выбросами  золы твердого топлива значителен. Так, для электростанций мощностью 2400 МВт при средней зольности  топлива А^p -17-20% массовый выброс летучей золы через дымовые трубы составляет около700г/с (2,5 т/ч) [3]. Если учесть, что такие электростанции активно работают несколько десятилетий, то ее воздействие вполне можно сравнить с действием вулкана. Но если последний обычно выбрасывает продукты вулканизма в больших количества разово, то электростанция делает это постоянно. За весь голоцен (10-12 тыс. лет) вулканическая деятельность не смогла сколько-нибудь заметно повлиять на состав атмосферы, но хозяйственная деятельность человека обусловила такие изменения за какие-то 100-200 лет.

     Коэффициент полезного действия энергетических установок пока невелик и составляет 30-40%, большая часть топлива сжигается  впустую. Полученная энергия тем  или иным способом используется и  превращается, в конечном счете, в тепловую, т.е. помимо химического в биосферу поступает тепловое загрязнение.

     В последнее время серьезное внимание привлекла проблема  изучения канцерогенных  веществ, образующихся при  неполном сгорании топлива. По своей распространенности  и интенсивности воздействия из многих химических веществ этого типа наибольшее значение имеют полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и наиболее активный из них – бензапирен, являющийся причиной развития раковых заболеваний. Максимальное количество бензапирена образуется при температуре 700-800⁰C в условиях нехватки воздуха для полного сгорания топлива [2].

     Пентаоксид  ванадия, попадая в окружающую среду  в процессе сжигания мазута, оказывает  разнообразное действие на организм человека. Это вещество вызывает раздражение верхних дыхательных путей у человека и животных, изменения в кровообращении, расстройства нервной системы, нарушение обмена веществ, а также аллергическое поражение кожи [3]

     Одно  из возможных отрицательных воздействий  атмосферных загрязнений на людей связано с образованием, так называемых, токсических туманов, возникающих при резком возрастании концентрации атмосферных загрязнений и неблагоприятных метеорологических условиях.

     Действие  токсических веществ, загрязняющих атмосферу, может вызывать хронические неспецифические заболевания. Среди этих заболеваний существенное значение приобретают атеросклероз и связанные с ним коронарные заболевания сердца, хронический бронхит, эмфизема, бронхиальная астма и пр.  Выполненные исследования позволили установить, что основное влияние на рост заболеваемости в городах оказывают такие факторы как плотность населения и загрязнение внешней среды [2].

     В качестве загрязнителей в окружающую среду также поступают различные  оксиды азота. Будучи токсичными для человека, они обладают резко выраженным раздражающим действием, особенно на слизистую оболочку глаза. Оксиды азота плохо растворимы в жидких средах, в связи с чем, они способны глубоко проникать в легкие, вызывая повреждения альвеолярного эпителия и бронхов. Экспериментальные данные и натуральные наблюдения свидетельствуют о высокой биологической активности оксидов азота.

     Исследования, выполненные в различных странах, показали, что в загрязненных оксидами азота районах у людей снижаются  дыхательные функции, повышается количество респираторных заболеваний, обнаруживаются изменения в периферической крови (появление метгемоглобина).

     Оксиды  азота, поглощая естественную радиацию как ультрафиолетовой, так и видимой  части спектра, снижают прозрачность атмосферы и способствуют образованию фотохимического тумана – смога.

     Токсичные вещества, содержащиеся в дымовых  газах, также воздействуют на растения и животный мир, на строительные конструкции, здания и сооружения.

     Наиболее  чувствительны к воздействию  диоксида серы растения. Его воздействие связано, прежде всего, с повреждением поверхности листьев и хвои из-за разрушения содержащихся в них хлорофилла. Лиственные растения, ежегодно сбрасывающие листву, менее подвержены воздействию диоксида серы. Хвойные растения, наоборот, сильнее подвержены влиянию токсикологических примесей.

     Загрязнение и отходы энергетических объектов в  виде газовой, жидкой и твердой фазы распределяются на два потока: один вызывает глобальные изменения, а другой – региональные и локальные. Так же обстоит дело и в других отраслях хозяйства, но все же энергетика и сжигание ископаемого топлива остаются источником основных глобальных загрязнителей. Они поступают в атмосферу, и за счет их накопления изменяется концентрация малых газовых составляющих атмосферы, в том числе парниковых газов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Влияние выбросов на состояние  атмосферы

 

1. Воздействие на атмосферу при использовании твердого топлива

 

     Предприятия угольной промышленности оказывают  существенное отрицательное влияние  на водные и земельные ресурсы. Основные источники выброса вредных веществ в атмосферу - промышленные, вентиляционные и аспирационные системы шахт и обогатительных фабрик и др.

     Загрязнение воздушного бассейна в процессе открытой и подземной добычи угля, транспортировки и обогащения каменного угля вызвано буровзрывными работами, работой двигателей внутреннего сгорания и котельных, пылением угольных складов и породных отвалов и другими источниками.

     В 2002 году объём выбросов вредных веществ  в атмосферу от предприятий отрасли возрос относительно 1995 года на 30 процентов, главным образом, из-за вновь учитываемых выбросов метана от вентиляционных и дегазационных установок на шахтах [4].

     По  объёму выбросов вредных веществ  угольная отрасль занимает шестое место  в промышленности Российской Федерации (вклад на уровне 5%). Степень улавливания и обезвреживания загрязняющих веществ крайне низка (9,1%), при этом не улавливаются углеводороды и ЛОС.

     В 2002 году выросли выбросы угольной отрасли составили: углеводородов (на 45,5 тыс. т), метана (на 40,6 тыс. т.), ряда других веществ; отмечено снижение выбросов ЛОС (на 5,2 тыс. т), диоксида серы (на 2,8 тыс. т), твёрдых веществ (на 2,2 тыс. т) [4].

     Зольность угля, поступающего от отдельных поставщиков на ТЭС, превышает 79% (в Великобритании она в соответствии с законодательством - 22%, в США - 9%). И увеличение выброса летучей золы в атмосферу продолжается. Между тем электрофильтры для золоулавливания производит лишь один Семибратовский завод, удовлетворяя ежегодные потребности в них не более чем на 5%.

     ТЭС, работающие на твёрдом топливе, интенсивно выбрасывают в атмосферу продукты угля и сланцев, содержащих до 50% негорючей  массы и вредных примесей. Удельный вес ТЭС в электробалансе страны составляет 79%. Они потребляют до 25% добываемого твёрдого топлива и сбрасывают в среду обитания человека более 15 млн. т золы, шлаков и газообразных веществ [4].

     В США каменный уголь продолжает оставаться основным видом топлива для электростанций. К концу столетия все электростанции там должны стать экологически чистыми, предстоит повысить КПД до 50% и более (сейчас 35%). Чтобы ускорить внедрение технологий очистки угля, ряд угольных, энергетических и машиностроительных компаний при поддержке федерального правительства разработал программу. В течение 20 лет только в США новые технологии будут внедрены на существующих электростанциях общей мощностью 140 тыс. МВт и на новых переоборудуемых электростанциях общей мощностью 170 тыс. кВт. [3]

     Не  исключена вероятность существенного  увеличения в мировом энергобалансе использования угля. По имеющимся расчетам, запасы углей таковы, что они могут обеспечивать мировые потребности в энергии в течение 200-300 лет. Возможная добыча углей, с учетом разведанных и прогнозных запасов, оценивается более чем в 7 триллионов тони. При этом более 1/3 мировых запасов углей находится на территории России. Поэтому закономерно ожидать увеличения доли углей или продуктов их переработки (например, газа) в получении энергии, а следовательно, и в загрязнении среды. Угли содержат от 0,2 до десятков процентов серы в основном в виде пирита, сульфата, закисного железа и гипса. Имеющиеся способы улавливания серы при сжигании топлива далеко не всегда используются из-за сложности и дороговизны. Поэтому значительное количество ее поступает и, по-видимому, будет поступать в ближайшей перспективе в окружающую среду. Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС - золой и шлаками. Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн. т мелкодисперсных аэрозолей. Последние способны заметно изменять баланс солнечной радиации у земной поверхности. Они же являются ядрами конденсации для паров воды и формирования осадков; а попадая в органы дыхания человека и других организмов, вызывают различные респираторные заболевания.

     Выбросы ТЭС являются существенным источником такого сильного канцерогенного вещества, как бензопирен. С его действием  связано увеличение онкологических заболеваний. В выбросах угольных ТЭС содержатся также окислы кремния и алюминия. Эти абразивные материалы способны разрушать легочную ткань и вызывать такое заболевание, как силикоз, которым раньше болели шахтеры. Сейчас случаи заболевания силикозом регистрируются у детей, проживающих вблизи угольных ТЭС. Имеются данные, что если бы вся сегодняшняя энергетика базировалась на угле, то выбросы СО, составляли бы 20 млрд. тонн в год (сейчас они близки к 6 млрд. т/год). Это тот предел, за которым прогнозируются такие изменения климата, которые обусловят катастрофические последствия для биосферы. 

     3.2. Влияние на атмосферу при использовании жидкого топлива 

     В своё время нефть потеснила уголь  и вышла на первое место в мировом  энергетическом балансе. Однако это  чревато определёнными экологическими проблемами.

     Так, в 2002 году российские предприятия отрасли  выбросили в атмосферу 621 тыс. т  загрязняющих веществ (твёрдые вещества, диоксид серы, оксид углерода, оксиды азота и др.). Сточные воды в  объёме до 1302.6 млн. т сбрасываются в поверхностные водные объекты и на рельеф.

     При сжигании жидких топлив (мазута) с дымовыми газами в атмосферный воздух поступают  сернистый и серный ангидриды, оксиды азота, газообразные и твёрдые продукты неполного сгорания топлива, соединения ванадия, солей натрия, а также  вещества, удаляемые с поверхности котлов при чистке. С экологических позиций жидкое топливо обладает более «гигиеническими» свойствами: отпадает проблема золоотвалов, которые занимает значительные территории, исключают их полезное использование и являются источником постоянных загрязнений атмосферы и районе станции из-за уноса золы с ветрами. В продуктах сгорания жидких видов топлива отсутствует летучая зола. Применение двухтопливных гибридных камер сгорания вместо традиционных однозонных диффузионных КС с использованием частичного замещения части углеводородного топлива водородом (6% от массы углеводородного топлива) снижает расход нефтяного топлива на 17-20%, уровни выброса частиц сажи - на порядок, бензопирена - в 10-15 раз, оксидов азота - в 5 раз) [1].

     В большинстве стран запрещено  сжигание нефтяного топлива с  сернистостью выше 0,5%, в России же половина солярки не укладывается в этот норматив, а сернистость котельного топлива  достигает 3%.