Экология в теплоэнергетике

Стремительный рост промышленного производства и потребления электроэнергии и тепла в ХХ и ХХI вв. неуклонно сопровождается увеличением вредных выбросов, загрязняющих окружающую среду. Тепловые электростанции и котельные, потребляющие в огромных количествах твёрдое, жидкое и газообразное топливо, выбрасывают в атмосферу продукты сгорания, содержащие:

• золу;

• оксиды азота;

• оксиды серы;

• оксид углерода (в случае неполного сгорания топлива);

• диоксид углерода (вызывающий “парниковый” эффект).

Основой всех органических топлив является углерод, при полном сгорании которого образуется, казалось бы, “безвредный” газ – диоксид углерода СО₂. Благодаря процессу фотосинтеза, протекающему в природе, зелёная растительность (деревья, кустарники и т.д.) при участии лучистой энергии Солнца разлагает углекислый газ и возвращает кислород в атмосферу. Неуклонное наращивание темпов потребления ископаемого органического топлива привело к нарушению природного баланса углекислого газа. Существующие на земной поверхности зелёные насаждения уже не справляются с гигантскими объёмами диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу. При сжигании органического топлива ежегодно выделяется около 21,3 Гт СО₂, при этом лишь половина может быть поглощена благодаря природным процессам (фотосинтез и т.п.).

Рост концентрации СО₂ приводит к нарушению теплового баланса между Землёй и окружающей её атмосферой, космическим пространством, Солнцем и другими планетами. В результате этого дисбаланса происходит постоянное и повсеместное потепление климата планеты. Так называемый «парниковый» эффект зафиксирован климатологами ещё в ХХ в.

Мы все живём в едином пространстве, и границы между государствами не могут препятствовать “нарушению” этих границ газовыми выбросами. Поэтому проблема снижения выбросов (не только парниковых газов, и даже вообще не только газовых выбросов) является глобальной. К примеру, Россия поставляет в мировую атмосферную “помойку” лишь 4 % от общего мирового объёма выбросов СО₂, а российские леса “перерабатывают” около 25 % суммарного мирового поступления углекислого газа.

Мировое соглашение (Киотский протокол, участником которого является и Россия) устанавливает жёсткие требования по ограничению выбросов СО₂. Согласно Киотскому протоколу, выбросы СО₂ в России не должны превышать уровня 1990 г., а в странах ЕЭС, например, 92÷94 % от уровня 1990 г.

Киотский протокол — международный документ, принятый в г. Киото (Япония) в декабре 1997 г. в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата (РКИК). По состоянию на 14 февраля 2006 г. Протокол был ратифицирован 161 страной мира (совокупно ответственными за более чем 61% общемировых выбросов).

Каковы же реальные мероприятия по снижению выбросов парниковых газов? В первую очередь, это разработка новых технологий по использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ): энергии Солнца, ветра, морских и океанских волн, приливов и отливов, геотермальных источников, водорода, биотоплива и т.д.

В последние годы в экономически развитых странах всё большее внимание уделяется развитию технологий по сжиганию так называемого биотоплива, к которому, в частности, относятся и продукты переработки древесины – древесные гранулы (пеллеты).

Конечно, согласно закону сохранения энергии, для получения необходимого количества теплоты потребуется неизменное количество углерода (если речь идёт об углеродсодержащем топливе), при этом абсолютное количество выделившегося углекислого газа уменьшиться не может. Но дерево растёт несколько лет (или несколько десятков лет) и при этом “принимает активное участие” в процессе фотосинтеза, а для образования угля требуются миллионы лет. Очевидно, что при сжигании биотоплива снижается относительное количество выбросов СО₂.

Наиболее токсичными из газообразных выбросов являются оксиды азота, поэтому проблема снижения их концентрации в уходящих газах энергетических котлов была и остаётся актуальной.

В зависимости от степени окисления образуются различные соединения азота с кислородом: гемиоксид N₂O, оксид NO, азотистый ангидрид N₂O₃, диоксид NO₂, тетраоксид диазота N₂O₄ и азотный ангидрид N₂O₅. С экологической точки зрения, практическое значение имеют оксид и диоксид азота, сумму которых, как правило, обозначают как NO_х. Другие оксиды азоты являются малоустойчивыми соединениями, вследствие чего присутствие их в земной атмосфере ничтожно мало.

Основным критерием санитарно-гигиенической оценки качества воздуха является концентрация в нём того или иного компонента. При этом различают среднегодовую, среднемесячную, среднесуточную, часовую и максимально разовую (отобранную в течение 20 мин) концентрации.

Согласно принятым в России нормативным документам, предельно допустимая концентрация диоксида азота ПДК_NO2 в приземном слое воздуха составляет 0,085 мг/м³, в то время как для оксида азота ПДК_NO = 0,6 мг/м³. При сгорании органического топлива образуется, главным образом, оксид азота NO, доля диоксида азота NO₂ составляет обычно 2÷5 % суммарного содержания оксидов азота NO_х. Однако в шлейфе дымовых газов происходит дальнейшее окисление NO до более токсичного NO₂, поэтому в директивных документах принято пересчитывать концентрацию NO в NO₂.

Механизм окисления NO до NO₂ представляется в виде трёх возможных реакций:

NO+О₃→NO₂+О₂; (24)

2NO+О₂→2NO₂; (25)

NO+RО₂→NO₂+RО. (26)

Для обычных условий распространения шлейфа дымовых газов в нижних слоях атмосферы наибольшее значение имеет окисление NO озоном, т.е. реакция (24).

Результатом присутствия оксидов азота в атмосфере является их токсичное воздействие на здоровье людей, а также на животный и растительный мир. Даже кратковременное (до 1 ч) воздействие диоксида азота в концентрации от 50 до 150 мг/м³ может вызвать воспаление лёгких и бронхит, а при концентрациях 500÷1000 мг/м³ возможен отёк лёгких и летальный исход.

Соединяясь с атмосферной влагой, оксиды азота образуют слабые растворы азотной и азотистой кислот, обуславливающие антропогенные выбросы не только оксидов азота, но и оксидов серы, в виде так называемых кислотных дождей. Пагубное воздействие кислотных дождей приводит к загрязнению почв и обеднению их растительными элементами, снижению продуктивности сельского хозяйства, увеличению кислотности водоёмов, гибели лесных массивов. Проблема кислотных дождей усугубляется ещё и тем, что в силу природных условий происходит трансграничный перенос оксидов азота и серы. В связи с этим решение проблемы на национальном уровне невозможно.

Ещё одна особенность токсичного воздействия оксидов азота заключается в снижении прозрачности атмосферы и образовании фотохимического тумана – смога. Это явление особенно проявляется в крупных мегаполисах с интенсивным автомобильным движением и, как следствие, с повышенной концентрацией углеводородов в воздухе.

Относительное суммарное вредное воздействие оксидов азота и диоксида серы, по принятым в России нормам, не должно превышать 1, т.е.

. (27)

В табл. 1 приведены нормативы предельных выбросов в атмосферу оксидов азота для котельных установок.

Таблица 1

Нормативы предельных выбросов в атмосферу оксидов азота NO_x для котельных установок, введённые на ТЭС с 01.01.2001

Date: 2015-07-27; view: 980; Нарушение авторских прав