Экологические проблемы энергетики (стр. 3 )

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+О2®=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. 6.1.7), 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.

6.1.4. 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 (табл. 6.1.3). 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 (табл. 6.1.2).

6.1.5. 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.

Таблица 6.1.11

Частные и суммарные показатели вредности топлив и продуктов их сгорания

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

В этом случае показатель суммарной вредности продуктов сгорания можно выразить суммой частных показателей вредности:

,

где Пi – значения частных показателей вредности, характеризующих удельное количество вредного вещества и его относительную токсичность.

Для простоты использования Пi частные показатели приводят к безразмерному виду, а токсичность выражается как отношение ПДК данного ингредиента к ПДК золы.

С учетом технологии использования топлива все вредные вещества можно классифицировать на две группы.

К первой группе относятся вещества, мало зависящие от технологии сжигания. Это диоксид серы, соединения ванадия. Ко второй группе принадлежат вещества, образование которых зависит от технологии и режима сжигания топлива (летучая зола, оксиды азота, оксид углерода, бенз(а)пирен и др.). Выбросы этих веществ изменяются в зависимости от мощности и типа топочного устройства, избытка воздуха и т. п.

Частные показатели вредных веществ первой группы определяются по формуле

,

где Гi, % – масса примеси в рабочем топливе;

h, % - степень удаления данной примеси из дымовых газов перед их выбросом в атмосферу;

F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость осаждения твердых частиц золы в атмосфере (для газовых примесей равен 1);

МТ, МГ – относительные молекулярные массы примеси в топливе и продуктах его сгорания;

ПДКi, мг/м3 – предельно допустимая концентрация примеси в приземном слое атмосферы.

Частные показатели вредных веществ второй группы определяются по формуле

,

где Сi, г/м3 – концентрация данной примеси в 1 м3 дымовых газов при нормальных условиях;

VГ, м3/кг – объем дымовых газов, образующихся при сжигании 1 кг топлива при нормальных условиях;

QНР, ккал/кг – низшая теплота сгорания топлива.

В табл.8 представлены частные и суммарные показатели вредности продуктов сгорания основных энергетических топлив. Расчеты произведены для двух случаев: для неочищенных продуктов сгорания (); и с учетом золоулавливания (). Эффективность очистки для твердого топлива принята 99%, для жидкого – 70%.

При оценке вредного воздействия от ТЭС или при технико-экономическом обосновании следует помнить, что с увеличением мощности ТЭС и объема дымовых газов для обеспечения требуемого качества атмосферного воздуха приходится увеличивать высоту, а следовательно и стоимость, дымовой трубы или применять более эффективные и дорогие пыле - и газоочистные установки. Все это увеличивает не только абсолютные, но удельные капиталовложения на сооружения по защите окружающей среды. Следует также учитывать, что чем больше , тем выше удельные затраты по защите окружающей среды и тем меньше выигрыш от увеличения мощности ТЭС. Таким образом, показатель может быть использован при технико-экономической оценке (анализе) выбора мощности ТЭС с разными видами топлива.