Сущность экологического аспекта в энергетике

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. Такими нормативами являются предельно допустимые концентрации (ПДК) или выданные квоты от ПДК – предельно допустимые выбросы в атмосферу (ПДВ) или сбросы в гидросферу (ПДС). 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.

В соответствии с конвекцией, принятой в рамках Европейского экономической комиссии ООН о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния страны СНГ уже в 1993 г. в целом выполнили свои обязательства по сокращению выбросов сернистого ангидрида на 30% к уровню 1980 г. и стабилизировали к 1994 году выбросы азота на уровне 1987 года.

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 воздействие на водоемы;
• уменьшение площади плодородных почв на планете;
• снижение рыбных запасов, запасов флоры и фауны в целом.

Ежегодно в земную атмосферу выбрасывается 100 млн. т газообразных оксидов серы и 30 млн. т оксидов азота за счет естественных выделений и соответственно 65 млн. т и 25 млн. т антропогенных выбросов, т.е. уровень антропогенных выбросов приближается к глобальным естественным выбросам оксидов серы и азота, табл.4. А выброс диоксида углерода (СО2), способствующего возникновению парникового эффекта (в создании парникового эффекта вклад диоксида углерода оценивается примерно в 65%, метана – примерно 20%, оксида азота – 5%, а остальное составляют другие компоненты, включая хлор и фторуглеводороды), только в странах СНГ в 1990 г. составил 694,5 млн. тонн.

В силу масштабности экологических проблем топливных циклов в целом в дальнейшем ограничимся рассмотрением природоохранных мер только в процессах производства тепловой и электрической энергии на ТЭС.

Преобразование вредных выбросов ТЭС в атмосферном воздухе

Вредные выбросы и природные вещества в атмосфере подвергаются сложным процессам превращения, взаимодействия, вымывания и т.д. Эти процессы различны для взвешенных частиц и газообразных примесей. Время нахождения (“жизни”) взвешенных частиц в атмосфере зависит от их физико-химических свойств, метеорологических параметров и некоторых других факторов, в первую очередь от высоты выброса частиц в атмосферу и их размеров.

Основными путями вывода аэрозолей из атмосферы (самоочищения) являются самоосаждение частиц под воздействием сил тяжести, осаждение их на растения и водоемы, а также вымывание дождем.

Частицы размером более 10 мкм относительно быстро опускаются на землю под действием сил тяжести. Частицы с поперечником от 4 до 10 мкм поднимаются с дымом на высоту более 1 км и могут перемещаться потоком воздуха на сотни километров. Частицы от 1 до 4 мкм очень медленно осаждаются, достигая земной поверхности в течение года. Частицы менее 1 мкм распространяются подобно молекулам газа.

Примерная скорость осаждения частиц в неподвижном воздухе в зависимости от их размера показана в табл.7.

Скорость осаждения частиц в спокойном воздухе   Таблица 7

Радиус частицы, мкм	Скорость осаждения, см/с
0,1	8×10-6
1	4×10-2
10	0,3
100	25

Вопрос о времени жизни и превращениях газообразных загрязнений атмосферы изучен еще недостаточно. Например, диоксид серы сохраняется, по данным разных исследователей от нескольких часов до нескольких дней.

Диоксид серы в атмосфере постепенно окисляется до триоксида серы, который, взаимодействуя с влагой воздуха, образует серную кислоту. На скорость процесса окисления влияет солнечный свет и мельчайшие частицы пыли, каталитически ускоряющие процесс окисления. На процесс окисления влияет также влажность воздуха. С увеличением влажности процесс окисления сернистого ангидрида ускоряется.

Установлено, что в атмосфере происходит реакция фотодиссоциации диоксида азота NO2 на NO и О, при этом поглощается излучение ультрафиолетовой области спектра, которое играет преобладающую роль в атмосферных фотохимических процессах. Энергия, необходимая для разрыва связи между азотом и кислородом, составляет около 300 кДж/моль.

Следствием диссоциации NO является большое количество вторичных реакций. Совместное окисление углеводородов и окислов азота приводит к образованию соединений, которые в результате дальнейших реакций образуют так называемые пероксиацилнитраты (ПАН), обладающие сильным токсичным действием. Вещества группы ПАН можно обнаружить в загрязненном городском воздухе во время токсичного тумана (смога).

Среди вторичных фотохимических реакций важное значение имеет взаимодействие молекулярного кислорода и оксида азота NO с атомарным кислородом, в результате чего образуется озон О3 и диоксид азота. Фотохимические реакции с диоксидом азота протекают в следующих направлениях:

NO2+УФ®=NO+O;

O+O2=O3;

NO+O2=NO3;

NO3+O2=NO2+O3.

Знак УФ означает, что реакция фотодиссоциации происходит с поглощением ультрафиолетовых лучей солнечного спектра.

В итоге происходит непрерывное образование озона, который взаимодействуя с оксидом азота, образует снова диоксид азота, т.е.

NO+O3=NO2+O2.

Как показывают исследования, в результате перечисленных реакций происходит постепенное доокисление монооксида NO до диоксида NO2 по мере удаления дымового факела от дымовой трубы. На выходе из дымовой трубы 85…90% всех оксидов азота представляет NO.

Итоговое преобразование NO в NO2 приводит к усилению отрицательного воздействия продуктов сгорания на природу и живые организмы, так как последний более токсичен.

Установлено, что основной причиной фотохимических превращений в приземном слое атмосферы городов является высокая степень загрязнения воздуха органическими веществами (преимущественно нефтяного происхождения) и оксидами азота.

Суммарная концентрация окислителей, называемых еще оксидантами, образующихся в атмосфере воздуха в результате фотохимических превращений, в ряде случаем может быть использована как гигиенический показатель интенсивности протекания этих реакций. Концентрации оксидантов подвержены большим колебаниям, но наблюдается определенная закономерность. как правило, вслед за низкими ночными концентрациями наблюдается их значительное увеличение в утренние часы. Максимум наступает в полдень с усилением воздействия солнечных лучей. Снижение концентраций происходит с заходом солнца.

При высоких концентрациях оксидов азота, они частично окисляются под воздействием солнечной радиации до высшего оксида азота N2O5, который, взаимодействуя с влагой воздуха, образует азотную кислоту.

Соединения ванадия, аэрозоли бенз(а)пирена, распространяясь в атмосфере вместе с пылью, дождем или снегом, оседают на почву и водоемы.

Из сказанного следует, что вредные выбросы ТЭС – пыль, оксиды серы и азота и другие вещества, воздействуя на биосферу в районе расположения электростанции, подвергаются различным превращениям и взаимодействиям и затем осаждаются или вымываются атмосферными осадками.

Следует помнить, что почти все выбрасываемые ТЭС вещества не являются инородными для окружающей природной среды и участвуют в круговороте веществ между атмосферой, литосферой и гидросферой.

Так, в атмосфере Земли содержится около 2000 млрд. т углерода в виде углекислого газа СО2. При этом около 100 млрд. т в год находится в состоянии непрерывного круговорота между атмосферой сушей и морем. Таким образом, общие выделения СО2 в результате человеческой деятельности, составляющие в настоящее время примерно 15 млрд. т в год (табл.4), не приведут к значительным изменениям, так как небольшое увеличение СО2 в воздухе компенсирует способность растений поглощать углекислый газ. Однако дальнейшее увеличение выбросов СО2 может повлиять на климат планеты из-за так называемого парникового (оранжерейного) эффекта. Парниковый эффект для Земли – это повышение температуры планеты вследствие того, что углекислый газ пропускает тепловое излучение Солнца и в то же время препятствует прохождению обратного (отраженного) потока тепла.

Наибольшее значение для животного мира оказывает кислород воздуха. В процессе дыхания животных и горения топлива уменьшается его концентрация в атмосфере, которая восстанавливается растительным миром суши и океана. Ощутимых изменений концентрации кислорода в атмосфере нет. Однако это совсем не значит, что проблема в глобальном масштабе исчерпана, так как одновременно с антропогенным использованием кислорода в мире совершаются и другие процессы, отрицательно влияющие на воспроизводство кислорода, а именно загрязнение мирового океана и снижение площади лесов.

Что же касается теплоэнергетики, то актуальным является решение вопросов обеспечения допустимых концентраций вредных веществ в районах расположения электростанций. То есть снижение уровня загрязнений локального характера (до десятков километров). Это объясняется тем, что время нахождения в атмосфере большинства загрязняющих компонентов от действия ТЭС не превышает нескольких суток и на значительном удалении от источника выбросов их концентрации в сотни раз меньше допустимых.

Влияние вредных выбросов электростанций на природу и человека

Высокое содержание в атмосферном воздухе различных загрязнений неблагоприятно сказывается на всем комплексе живой природы. Отрицательное влияние загрязнений атмосферы выражается в ухудшении здоровья людей и животных, снижении урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животных. Воздействию вредных веществ подвержены лесные угодья. Загрязнение атмосферы влияет на коррозионные процессы строительных конструкций, ускорение износа зданий и оборудования.

При рассмотрении вопросов локального влияния вредных веществ, выбрасываемых ТЭС можно отметить, что наибольшее неблагоприятное воздействие оказывают оксиды азота и серы: разрушается хлорофилл растений, повреждаются листья и хвоя. Наиболее чувствительными к SO2 являются хвойные деревья. Диоксид серы вызывает посерение кончиков хвои и ее увядание. Пораженные участки приобретают бронзовую окраску. На листьях также появляются бледные пятна, которые затем приобретают бронзовый цвет и, в конце концов, опадают. Нарушение фотосинтеза и дыхания хвои начинается с концентрации SO2, составляющей 0,23 мг/м3. Хвоя высыхает за 2…3 года. При содержании SO2 в воздухе 0,08…0,23 мг/м3 происходит уменьшение интенсивности фотосинтеза и медленное увядание хвои. Лиственные деревья начинают поражаться при концентрации SO2 от 0,5 до 1 мг/м3. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) при концентрации диоксида серы в атмосферном воздухе на уровне 0,08 мг/м3 ощущается дискомфорт у людей (Лекция №1, табл.3). При дальнейшем увеличении содержания диоксида серы или пыли до 0,25…0,5 мг/м3 наблюдается ухудшение состояния больных с легочными заболеваниями. Постоянное нахождение людей в зоне с концентрациями более 0,5 мг/м3 приводит к более частым заболеваниям и возрастанию смертности.

Поступающий в атмосферу триоксид серы (SO3), взаимодействуя с влагой воздуха, образует серную кислоту, которая активно разрушает конструкции и оборудование.

Диоксид азота оказывает раздражающее действие на дыхательные пути и слизистую оболочку глаза. Длительное воздействие NO2 при концентрации до 2 мг/м3 приводит к хлорозу растений, при концентрации равной 4 мг/м3, возникает острое повреждение растений.

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

Очень токсичен пентаксид ванадия V2O5, входящий в состав золы мазута. Это вещество вызывает раздражение дыхательных путей у человека и животных, поражает кожи, расстройство кровообращения и нервной системы, а также нарушение обмена веществ.

Бенз(а)пирен обладает канцерогенными свойствами, т.е. способен вызывать злокачественные заболевания. Оксид углерода (СО) изменяет состав крови, приводит к нарушению нервной деятельности.

Санитарным законодательством России (Министерством здравоохранения) установлены предельно допустимые концентрации вредных веществ (ПДК), некоторые из которых были рассмотрены выше (Лекция №1, табл.2).

Показатель вредности продуктов сгорания

В соответствии с законом об охране атмосферного воздуха, размещение нового предприятия в местности, где фоновое значение загрязнений атмосферы превышает ПДК, должно сопровождаться осуществлением мероприятий по снижению выбросов соответствующих веществ на действующих предприятиях.

В некоторых случаях необходимо охарактеризовать качество энергетических топлив в отношении загрязнения окружающей среды значением одного показателя, учитывающего суммарное воздействие различных вредных веществ. Например, замена одного топлива другим требует показателя (критерия) для оценки целесообразности такой замены по соображениям качества атмосферного воздуха.

 

Частные и суммарные показатели вредности топлив и продуктов их сгорания   Таблица 8

Вид топлива	Номер по Пå	Пå	ПSO2	ПNO2	ПA	ПV2O5	Пå1	Номер по Пå1
Сланцы эстонские	1	3,1565	0,0879	0,0586	2,59	0,42	0,1766	3
Подмосковный Б2	2	2,0156	0,1518	0,0683	1,42	0,38	0,2336	1
Экибастузский СС	3	1,8480	0,0300	0,0580	1,51	0,25	0,1056	8
Донецкий Г	4	1,5626	0,1070	0,0796	0,16	0,23	0,2005	2
Торф фрезерный	5	1,0228	0,0072	0,0756	0,45	0,49	0,0922	10
Ангренский Б2	6	0,9654	0,0552	0,0602	0,56	0,29	0,1239	6
Донецкий А	7	0,8707	0,0442	0,0565	0,59	0,18	0,1084	7
Донецкий Т	8	0,8644	0,0678	0,0566	0,58	0,16	0,1318	5
Львовско-Волынский Г	9	0,8365	0,0693	0,0572	0,18	0,18	0,1336	4
Райчихинский Б2	10	0,8168	0,0138	0,0630	0,43	0,31	0,0842	12
Кузнецкий 1 СС	11	0,6843	0,0074	0,0569	0,45	0,17	0,0705	17
Кузнецкий 2 СС	12	0,6567	0,0095	0,0572	0,43	0,16	0,0726	13
Кузнецкий Т	13	0,5947	,0090	0,0557	0,38	0,15	0,0700	18
Ирша-Бородинский Б2	14	0,5365	0,0075	0,0590	0,22	0,25	0,0712	16
Березовский Б2	15	0,4975	0,0075	0,0600	0,18	0,25	0,0718	14
Мазут с содержанием серы 3,5%	16	0,1381	0,0529	0,0440	0,0015	0,0397	0,1023	9
Мазут с содержанием серы 2,5%	17	0,1131	0,0378	0,0440	0,0015	0,0283	0,0907	11
Мазут с содержанием серы 1,5%	18	0,0742	0,0221	0,0440	0,0015	0,0166	0,0715	15
Мазут с содержанием серы 0,5%	19	0,0578	0,0073	0,0442	0,0015	0,0055	0,0534	19
Природный газ	20	0,0378	-	0,0378	0,0008	-	0,0378	20