Сжигание горючих ископаемых, круговорот углерода

Введение

В данной работе описан круговорот углерода в биосфере.

Так же представлены некоторые  экологические проблемы энергетики, связанные с действием топливно-энергетического  комплекса (ТЭК) и тепловых электрических  станций (ТЭС) на окружающую среду. Приведены уровни распространения вредных выбросов и требования к экологически чистым ТЭС, рассмотрено воздействие на окружающую среду топливного цикла, на различных стадиях, от добычи, до использования и хранения.

КРУГОВОРОТ  УГЛЕРОДА В БИОСФЕРЕ

Самый интенсивный биогеохимический цикл – круговорот углерода. В природе углерод существует в двух основных формах – в карбонатах (известняках) и углекислом газе. Содержание последнего в 50 раз больше, чем в атмосфере. Углерод участвует в образовании углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот.

Основная масса  аккумулирована в карбонатах на дне  океана (1016 т), в кристаллических  породах (1016 т), каменном угле и нефти (1016 т) и участвует в большом  цикле круговорота.

Основное звено  большого круговорота углерода –  взаимосвязь процессов фотосинтеза и аэробного дыхания.

Другое звено  большого цикла круговорота углерода представляет собой анаэробное дыхание (без доступа кислорода); различные  виды анаэробных бактерий преобразуют  органические соединения в метан  и другие вещества (например, в болотных экосистемах, на свалках отходов).

В малом цикле  круговорота участвует углерод, содержащийся в растительных тканях (около 1011 т) и тканях животных (около 109 т). Углерод по распространенности на Земле занимает шестнадцатое место  среди всех элементов и составляет приблизительно 0,027% массы земной коры. В несвязанном состоянии он встречается в виде алмазов (наибольшие месторождения в Южной Африке и Бразилии) и графита (наибольшие месторождения в ФРГ, Шри-Ланка и СССР). Каменный уголь содержит до 90% углерода. В связанном состоянии углерод входит также в разные горючие ископаемые, в карбонатные минералы, например кальцит и доломит, а также в состав всех биологических веществ. В форме диоксида углерода он входит в состав земной атмосферы, в которой на его долю приходится 0,046% массы.

Углерод имеет  исключительное значение для живого вещества (живым веществом в геологии называют совокупность всех организмов, населяющих Землю). Из углерода в биосфере создаются миллионы органических соединений. Углекислота из атмосферы в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелеными растениями, ассимилируется и превращается в разнообразные органические соединения растений. Растительные организмы, особенно низшие микроорганизмы, морской фитопланктон, благодаря исключительной скорости размножения, продуцируют в год около 1,5*1011m углерода в виде органической массы. Растения частично поедаются животными (при этом образуются пищевые цепи). В конечном счете, органическая масса в результате дыхания, гниения и горения превращается в углекислый газ или отлагается в виде сапропеля, гумуса, торфа, которые, в свою очередь, дают начало многим другим соединениям – каменным углям, нефти. В процессах распада органических веществ, их минерализации, огромную роль играют бактерии (например, гнилостные), а также многие грибы (например, плесневые). В активном круговороте (углекислый газ - живое вещество) участвует очень небольшая часть всей массы углерода. Огромное количество углекислоты законсервировано в виде ископаемых известняков и других пород.

Между углекислым газом атмосферы и водой океана существует подвижное равновесие. Организмы  поглощают углекислый кальций, создают  свои скелеты, а затем из них образуются пласты известняков. Атмосфера пополняется  углекислым газом благодаря процессам разложения органических веществ, карбонатов и т.д. Особенно мощным источником являются вулканы, газы которых состоят главным образом из паров воды и углекислого газа. Круговорот углерода. Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.

Миграция углекислого  газа в биосфере Земли протекает  двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи сотни миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь, во что именно - зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни этот процесс в истории планеты, вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие источники энергии, а может быть и совсем другое направление развития цивилизации. По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31-, CO32-. Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане.

В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием CO2. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.

Влияние работы топливно-энергетического комплекса (ТЭК) на окружающую среду

Одним из основных источников экологически негативных воздействий  на окружающую среду являются предприятия  топливно-энергетического комплекса (ТЭК). В России такими комплексами  являются Канско-Ачинский (КАТЭК), Кузнецкий и Тюменский. Топливно-энергетический комплекс включает в себя следующие стадии:

• начальную (добыча, переработка и транспортирование топлива);
• основную (производство энергии в виде теплоты или электричества);
• заключительную (транспортирование и переработка топлива и отходов, удаление отходов).

Каждая из названных  стадий включает в себя целую технологическую  цепь взаимосвязанных процессов. При  этом любое звено цепи, в свою очередь оказывает воздействие  не только на весь топливный цикл, но и на среду обитания.

Значительные  выбросы в атмосферу имеют  место с мощных угольных разрезов, которые включают такие ингредиенты, как пыль, углекислый газ, оксиды азота, а также токсичные выбросы, характерные  для взрывных работ и работ  мощного карьерного автотранспорта. И хотя выбросы с угольных разрезов носят локальный характер (они затухают в зоне 3...4 км от бортов разреза), их надо суммировать с выбросами близко расположенных от разрезов ТЭС в пределах санитарно-защитной зоны. ГРЭС комплекса с циркуляционной охлаждающей водой будут выбрасывать в атмосферу и водные источники, по мере ввода оборудования, от 60...70 млн. Гкал/год до 400...500 млн. Гкал/год (при полном вводе всех ГРЭС). Оборотная схема гидрозолошлакоудаления с полным возвратом воды в технологический цикл не решает полностью проблемы, так как только для одной ГРЭС (Березовской ГРЭС-1) требуется отчуждение территории для организации золошлакоотвалов до 400...500 Га и не гарантирует полного исключения фильтрации токсичных вод. Поэтому для таких комплексов необходимы «сухие» способы удаления золы, ее грануляция и использование гранулированной золы в выработанных пространствах угольных разрезов с последующей засыпкой породой и рекультивацией.

Основными видами органического топлива, используемого на ТЭС, являются газ, нефтетопливо (мазут) и твердое топливо (уголь, сланцы, торф, а также отходы деревообработки и др., - главным образом, уголь). При сжигании указанных видов топлива:

• природного газа – в атмосферу выбрасываются оксиды азота (NO, NO₂), оксиды углерода (СО) и бенз(а)пирен (С₂₀Н₁₂);
• угля – добавляются оксиды серы (SO₂ и SO₃), зола, токсичные микроэлементы, а также радиационные составляющие минеральной части;
• мазута – добавляются оксиды ванадия (V₂O₅).

При сжигании серосодержащих топлив основная часть серы топлива (97...98 %) окисляется до SO₂, а остальные – (2...3 %) – SO₃. Поэтому все выбросы оксидов серы от ТЭС при оценке загрязнения атмосферы определяют в виде SO₂. При сжигании природного газа, как и мазута, образование оксида углерода легко предотвращается рациональной организацией топочного процесса. Также ничтожно мала концентрация бенз(а)пирена при сжигании природного газа. Таким образом, токсичность уходящих газов при сжигании природного газа определяется практически только содержанием в нем оксидов азота, в отличии от угля и мазута, т.е. природный газ является наиболее экологически чистым органическим топливом. Если учесть, что в технологическом цикле ТЭС, работающей на угле, возникают выбросы в атмосферу пыли, продуктов самовозгорания угля и золы при их складировании, хранении и транспорте, а при работе на мазуте – выбросы углеводородов, экологические преимущества природного газа становятся очевидными.

Также неблагоприятное  воздействие, оказывает хранение и  складирование угля. Наиболее негативно  на окружающую среду влияет хранение угля на открытых складах. Закрытые склады являются более экологически чистыми, однако требуют повышения капитальных затрат.

Воздействие технологических  процессов или техногенное воздействие  на окружающую среду весьма разнообразно и по уровню распространения носит  различный характер:

• локальный (на расстоянии вокруг технологического объекта до нескольких единиц и десятков километров);
• региональный (расстояние воздействия достигает сотен и тысяч километров);
• глобальный (воздействие оценивается в масштабе полушария или земного шара).

В локальной зоне наблюдаются максимальные приземные концентрации, значения которых не должны превышать нормативных. Соблюдение нормативов может быть обеспечено:

- выбором соответствующего места расположения технологического объекта;

- мощностью объекта; использованием экологически приемлемого оборудования; применением эффективных способов очистки вредных выбросов и сбросов; рассеиванием в атмосфере остаточных выбросов с помощью источника рассеивания.

Региональное загрязнение определяется условиями:

- фоновых концентраций; удельных техногенных нагрузок  на окружающую среду; трансграничным переносом выбросов.

Глобальное воздействие определяется:

- изменением  климата планеты вызванного нарушением  радиационного теплового баланса  Земли в результате накопления  продуктов сгорания органического  топлива в атмосфере и усиления  парникового эффекта;

- воздействием  техногенных процессов на озоновый  слой планеты; уменьшением дебита пресной воды; увеличенным водопотреблением на технологические нужды, т.е. загрязнение сбрасываемой воды, ее тепловое и микробиологическое влияние на водоемы; уменьшение площади плодородных почв на планете;

- снижение  рыбных запасов, запасов флоры  и фауны в целом

При этом по возможному воздействию  на среду выделяют четыре сферы воздействия:

• атмосферу (внешняя газообразная оболочка Земли с постоянно убывающей концентрацией газов до высоты 1100...1400 км)
• потребление кислорода (в основе современных энергообеспечивающих, металлургических, химических, транспортных технологий лежат процессы горения);
• выброс газов и твердых частиц, полученных при горении;
• тепловое воздействие;
• электромагнитное воздействие;
• ионизация.
• литосферу (твердая внешняя оболочка Земли средней условной мощностью 16 км, включающая и почвенный слой вместе с биоценозом)
• потребление ископаемых;
• выброс на поверхность почвы твердых частиц и жидких стоков.
• гидросферу (прерывиста водная оболочка Земли, включающая поверхностные и подземные воды)
• загрязнение жидкими стоками отходов производств, “кислотных дождей”
• тепловое воздействие с охлаждающей водой;
• радиоактивное воздействие (от АЭС).
• биосферу (Без учета человека, так как интересы человека учитываются интересами социума (нижняя часть атмосферы, вся гидросфера и верхняя часть литосферы Земли, населенная живыми существами))
• потребление неископаемых видов энергоносителей (щепа, дрова);
• нарушение биоценозов (биоценоз – это организованная группа популяций растений (фитоценоз), животных (зооценоз) и микроорганизмов (микробиоценоз), живущих во взаимодействии в одних и тех же условиях среды);
• миграции и вымирание животных и растений от различного рода воздействий на них.