Классификация и основные характеристики атмосферных выбросов при сжигании топлива

 

Рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды - одна из важнейших насущных проблем современного общества. Под окружающей средой понимается система взаимосвязанных природных и антропогенных объектов и явлений, с которой связаны труд, быт и отдых людей. В настоящее время каждый регион земной поверхности имеет особенности не только естественные, но и созданные руками человека. Масштабы воздействия хозяйственной деятельности человека на природную среду стали поистине гигантскими. К настоящему времени на планете вырублено примерно 2/3 площади первобытных лесов, значительная часть земли занята сельскохозяйственными угодьями, городскими и сельскими поселениями, индустриальными центрами, транспортными средствами. Значительно изменяются ландшафт, направление течения рек и т.р. Поступление в воды суши и океана, в атмосферу и почву различных химических соединений (около 100 тыс.), образующихся в результате деятельности человека, в десятки раз превосходит естественное поступление веществ при выветривании горных пород и извержении вулканов. Ежегодно из земных недр извлекается свыше 100 млрд. т полезных ископаемых, выплавляется 800 млн. т различных металлов, производится более 60 млн. т синтетических материалов, вносится в почвы свыше 500 млн. т минеральных удобрений, примерно 3 млн. т различных ядохимикатов. В водоемы ежегодно сбрасывается более 500 млрд. м³ промышленных и коммунальных стоков, для нейтрализации которых требуется 5…12-кратное разбавление природной чистой водой.

Под воздействием антропогенного фактора снос суши составляет примерно ежегодно 50.6 млрд. т. В результате сжигания топлива в атмосферу ежегодно поступает более 20 млрд. т диоксида углерода и более 700 млн. т других парогазообразных соединений и твердых частиц. Техногенное поступление серы в 7 раз превышает ее естественное поступление в результате природных процессов. Увеличивается содержание в воздухе, воде, почве соединений кадмия, ртути, свинца и других вредных веществ. Происходят также процессы рассеивания вредных веществ в процессе использования готовой продукции из-за коррозии, износа, испарения.

Усиление техногенного воздействия на окружающую среду обусловило ряд экологических проблем, среди которых наиболее важные связаны с состоянием атмосферного воздуха, водных и земельных ресурсов. В большей степени это касается и атмосферы, химический состав которой в основном определяется четырьмя компонентами – азотом, кислородом, аргоном и углекислым газом. Кроме постоянных составных частей, в атмосферу поступают временные примеси хозяйственной деятельности человека. Их повышенное содержание оказывает негативное влияние на развитие живых организмов и растительности. Основные виды загрязнителей атмосферы и окружающей среды приведены на рис.7.1. В то же время, как показывает практика, большинство этих загрязнителей при их вторичном использовании становятся полезными энергетическими источниками.

Рациональное использование ВЭР теплоэнергетических установок позволяет снизить их вредное (токсичное) воздействие на окружающую среду. За основу оценки токсичности ВЭР принят метод доведения многокомпонентной смеси токсичных веществ до безвредных для человека и животных концентраций путем уменьшения возможности их образования или нейтрализации. В нашей республике утверждены нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе, измеряемых на уровне дыхания человека. Поддержание ПДК на допустимом уровне обеспечивается двумя методами:

Ø пассивные методы;

Ø активные методы.

Пассивный метод заключается в строительстве высоких дымовых труб с целью рассеять вредные вещества по возможности над большей территорией, уменьшив тем самым среднюю концентрацию выбрасываемых веществ. Этот метод является в настоящее время наиболее распространенным для поддержания концентрации сернистых газов и оксидов газов и оксидов азота в атмосфере на уровне, обеспечивающем ПДК. Высота труб современных крупных электрических станций уже превысила 300 м; это сложные, дорогие инженерные сооружения.

Активный метод заключается в уменьшении количества вредных выбросов путем использования дополнительных конструктивных решений в виде различного рода очистных сооружений и модификации технологических процессов.

45. Взаимосвязь экологии и энергосбережения.

 

Возрастающие темпы роста промышленного производства вызывают непрерывный рост абсолютного количества выбросов различных веществ в окружающую среду (объем мирового промышленного производства удваивается каждые 12…14 лет, что сопровождается примерно таким же ростом объема вредных выбросов).

Поскольку использование вторичных энергетических ресурсов и отходов производства позволяет не только экономить материально-энергетические ресурсы, но и существенно уменьшать вредное воздействие теплоэнергетических установок на окружающую среду, проанализируем источники этих загрязнений.

В биосферу посту-пает определенное коли-чество примесей от ес-тественных и антропо-генных источников загряз-нений (рис.7.2). К числу веществ, выделяемых естественными источника-ми, относятся: пыль рас-тительного, вулканичес-кого и космического про-исхождения; пыль, образу-ющаяся при эродировании почвы; частицы морской соли; туман; газы, образующиеся в результате лесных пожаров и извержений вулканов; различные продукты растительного, животного и микробиологического происхождения и др.

Обычно естественные источники загрязнений либо равномерно распределены в биосфере (например, космическая пыль), либо имеют локальный кратковременный характер (например, лесные и степные пожары, извержение вулканов и т.п.). Уровень загрязнений окружающей среды этими источниками фоновый и мало изменяется с течением времени.

Основное загрязнение окружающей среды создается в результате хозяйственной деятельности человека, т.е. искусственное происхождение. Наибольшее количество выбросов обусловлено отходами теплоэнергетики и различных отраслей промышленности и транспорта. В странах СНГ относительные доли их выбросов в окружающую среду составляют:

¨ теплоэнергетикой -- 27%

¨ черной металлургией -- 24.3%

¨ цветной металлургией -- 10.5%

¨ нефтедобывающей и нефтехимической отраслями -- 15.5%

¨ автотранспортом -- 13.3%

¨ предприятиями стройматериалов -- 8.1%

¨ химической промышленностью -- 1.3%.

Больше всего загрязнителей образуется в процессе сгорания различных видов топлива, используемого на транспорте, в промышленности, при производстве теплоты и электроэнергии. Интенсивное сжигание топлива в теплотехнических установок разрушающе воздействуют на окружающую среду. Поэтому ее защита стала в настоящее время глобальной проблемой человечества.

В табл.7.1 приведены данные о количестве вредных выбросов, приходящихся на 1 т сжигаемого в различных теплоэнергетических установках топлива, а в табл.7.2 сравнительные данные по вредности различных видов органического топлива.

Выбросы источников сгорания топлива, кг/т топлива

Таблица 7.1

Выбросы	Внутреннее сгорание	Внешнее сгорание
карбюраторные ДВС	дизельные ДВС	нефтяное топливо	Уголь
Произв. эл. энер.	Коммер. бытовое исп.	Произв. эл. энергии	Коммер. быт. использ.
Оксиды: углерода азота серы	1.55		0.005 20.8 S*	0.025 20.8 S*	0.25 19 S*	19 S*
Углеводороды			0.42	0.26	0.1
Альдегиды, органические кислоты	1.4	6.1	0.08	0.25	0.0025	0.0025
Твердые частицы			1.3	1-12	8 А*	2-8 А*
* Количество оксидов серы и твердых частиц определяется как произведение указанной в таблице цифры на процент содержания серы в топливе S и минеральных примесей А.

 

Сравнительные данные вредности различных видов органического

топлива, в относительных единицах (о.е.)

Таблица 7.2

Топливо	Относительные слагаемые вредности, о.е.	Суммарная вредность, о.е.
Зола	SO2	NOx	V2O5
Природный газ	-	-	4.07	-	4.07
Мазут(Sp=3.5%)	-	5.34	6.41	13.36	25.11
Горючие сланцы	2.59	8.57	8.16	-	19.32
Донецкий уголь (антрацитовый штыб)	0.46	3.17	6.90	-	11.07
Назаровский бурый уголь	0.33	3.87	7.56	-	11.76

Рассмотрим влияние на окружающую среду различных источников загрязнения атмосферы.

Теплоэнергетика. В промышленно развитых странах основным источником загрязнения являются тепловые электрические станции, в их котельных сжигаются уголь, нефть и продукты ее переработки, газ. Дымовые трубы электростанции ежегодно выбрасывают в атмосферу Земли более 250 млн. т золы, до 60 млн. т сернистого газа. При сжигании одной тонны угля поглощается такое количество кислорода, сколько его необходимо для 3.5 тыс. человек. Как же взаимодействует современная ТЭС с окружающей средой? Количественные показатели основных взаимосвязей применительно к ТЭС мощностью 1000 МВт приведены в табл.7.3.

Годовые расходы топлива и выбросы ТЭС на органическом

топливе мощностью 1000 МВт, млн. кг.

Таблица 7.3

Выброс	Вид топлива и его годовой расход
газ 1.9×109 м3/год	мазут (Sp=1.6% се-росодержание) 1.57×106 т/год	уголь (Sp=3.5% серосо-держание, А=9% зольность, степень очистки газов 98%) 2.3×106 т/год)
SO2	0.012	52.66	139.0
NOх	12.08	21.70	20.88
Твердые частицы	0.46	0.73	4.49

 

Пользуясь данными табл.7.3, можно определить, что Лукомльская ГРЭС (мощность 2400 МВт) при работе на мазуте может выбросить в атмосферу за год 126 тыс. т оксидов серы и 52 тыс. т оксидов азота. В настоящее время электростанции Республики Беларусь работают на мазуте и природном газе, поэтому основная доля газообразных токсичных выбросов приходится на SO₂ и NO_х.

Энергетика является мощным источником ежегодного поступления в атмосферу 140-160 млн. т SO₂. Это следствие сжигания в основном угля и нефти. Поступление двуокиси серы из природных источников эквивалентно 600 млн.т. Следовательно, человек ответственен за четвертую часть серы, проникающей в биосферу.

Ежегодно в мире в результате сжигания органических топлив в атмосферу выбрасывается до 100 млн. т золы и около 150 млн. т сернистого ангидрида. Из топки одного только парового котла производительностью 950 т/ч при сжигании антрацитового штыба в атмосферу поступает до 60 т оксидов азота в сутки. При взаимодействии с атмосферной влагой эти оксиды образуют кислоты, выпадающие в районе высокой концентрации промышленных предприятий даже в виде "кислотных дождей".

Кроме перечисленных загрязнителей, характерных для тепловых электростанций, отмечено также большое количество тепловых сбросов, главным образом в прилегающие водные бассейны. Установлено, что на площади 3…4 км², занятой электростанцией, изменяется рельеф местности, нарушаются характеристики поверхностного стока, структура почвенного слоя и экологическое равновесие. Относительно экологического воздействия атомных электростанций (АЭС) на окружающую среду существуют различные мнения. Однако не вызывает сомнения ток факт, что в отличие от традиционных теплоэнергетических установок работа АЭС практически не влияет на содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере, не изменяет химического состава атмосферы, гидросферы и почвы. Основными факторами взаимодействия АЭС с окружающей средой являются радиационное воздействие и тепловое загрязнение. Максимально допустимы выбросы с воздушными потоками АЭС представлены в табл.7.4.

 

Максимально допустимые выбросы АЭС при высоте

вентиляционной трубы 100 м.

Таблица 7.4

Вид выброса	Активность выброса, Бк/сут
Стронций-90 и стронций-89 Йод-131 a и b-активные аэрозоли, кроме изотопов стронция и йода Радиоактивные инертные газы (изотопы криптона и аргона)	3.7 107 3.7 109 1.85 1010 1.33 1014

Промышленность. В теплоэнергетических установках (двигателях внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинных двигателях, паро- и теплогенераторах, печах различного назначения) используются органические виды топлива: нефть и продукты ее переработки, уголь, торф, природный газ, древесина. Основные химические элементы каждого из перечисленных видов топлива - это углерод, водород, кислород, азот, сера, а также соединения металлов (сульфиды и оксиды) и минеральные примеси. Количество этих веществ в топливе зависит как от его типа, так и от места добычи. Содержание серы может изменяться от долей процента до 6…7%. Необходимо также учитывать и то, что многие производства, прежде всего ТЭС, ТЭЦ, металлургические заводы, засоряют окружающую среду микроэлементами. Так, в 1 т угольной золы в среднем содержится 200 г свинца, 400 г урана, по 500 г германия и мышьяка, 700 г никеля и т.д. Максимальное содержание стронция, ванадия, цинка и германия может достигать 10 кг на 1 т шлака. Такие концентрации перечисленных элементов делают экономически выгодным извлечение некоторых металлов из золы. Зола нефти также содержит ванадий, ртуть, молибден, никель и др.; торфяная зола нередко обогащена ураном, кобальтом, медью, никелем, цинком, свинцом. При ежегодном сжигании 2.4 млрд. т каменного и 0.9 млрд. т бурого угля в теплосиловых установках вместе с золой рассеивается 280 тыс. т мышьяка и 224 тыс. т урана, тогда как мировое производство этих двух металлов составляет соответственно 40 и 30 тыс. т в год.

Если учесть, что в мире уже сожжено более 160 млрд. т угля и около 70 млрд. т нефти, то очевидно, в окружающей человека среде рассеяны многие миллионы тон различных микроэлементов. В результате сгорания органического топлива образуется ряд вредных веществ. Это прежде всего оксиды серы SO₂ и SO₃ и золы. Зола некоторых топлив помимо механического воздействия на органы дыхания оказывает также токсическое влияние на организм. Так, в золе донецких антрацитов содержится мышьяк, зола ряда твердых топлив содержит фтористые соединения.

При сжигании мазутов выделяются соединения ванадия. Весьма токсичными компонентами дымовых газов, которым в последнее время уделяется большое внимание, являются оксиды азота, образующиеся из азотистых соединений топлива, а также - при высокой температуре в зоне горения - в результате окисления азота воздуха. Очень важно, что некоторые из составляющих дымового газа, например оксида серы и азота, усиливают вредное воздействие друг друга на организм. При сжигании природного газа выбросы оксидов азота являются, пожалуй, единственными, но существенными загрязнителями атмосферы.

Транспорт. В промышленно развитых странах серьезным источником загрязнения атмосферы являются продукты сгорания транспортных двигателей., что подтверждается данными приведенными в табл. 7.5

 

Состав и годовой выброс продуктов сгорания

Таблица 7.5

Примеси	Годовой выброс, млн т
автомобили	электростанции, заводы и др.
Оксид углерода	59.7	5.2
Углеводороды и др. органические вещества	10.9	6.4
Оксиды азота	5.5	6.5
Серосодержащие соединения		22.4
Микрочастицы		9.8

 

Таким образом автомобильный транспорт является источником выброса 92% оксида углерода, 63% углеводородов, и 46% оксидов азота. Кроме того, эти выбросы часто содержат свинец. Особенно опасна высокая концентрация источников загрязнений, в связи с чем возникает необходимость проведения мероприятий по ее снижению. Характер этих мероприятий должен определяться конкретно для каждого района или города. Кроме того, от автомобилестроителей требуется принципиально новый подход к конструкции автомобильного мотора и самого автомобиля.

Решение стоящих перед мировым автомобилестроением проблем специалисты видят прежде всего в дизелизации автомобилей и очищении топлива от серы. Отмечается, что снижение содержания серы в топливе на 0.15% приводит к уменьшению выброса диоксида серы на 50%. За счет новой конструкции форсунки дизельного двигателя удается снизить выброс несгоревших углеводородов до 1 г на 1 кВт×ч мощности. путем охлаждения надувочного воздуха можно добиться снижения на 30% выхода угарного газа. Сокращение номинальной частоты вращения двигателя при отказе от механизма опережения подачи топлива, хотя и приводит к несколько повышенному расходу топлива при больших частотах вращения коленчатого вала, вместе с тем обеспечивает снижение выброса угарного газа еще на 10%.

Для карбюраторных двигателей в качестве топлива можно использовать сжиженный, в том числе и природный, газ или даже водород. Кроме того, можно оснастить двигатель и специальными системами очистки газов при сжигании бензина.

Газообразное топливо более дешевое, сгорает полностью, сжиженный газ не содержит коррозионно-активных сернистых соединений. В результате увеличивается срок эксплуатации поршневой группы двигателя. Использование топлива в виде сжиженного газа позволит исключить загрязнение воздуха свинцовыми соединениями и продуктами неполного сгорания. Массовый переход транспорта на сжиженный газ сдерживается в настоящее время из-за недостаточного числа газонаполнительных станций.

Мысль об использовании водорода в качестве топлива для транспорта возникла давно. В настоящее время имеется возможность применять водород в качестве автомобильного топлива, изменяя системы его подачи и зажигания, без модификации автомобильного двигателя. Водород не ядовит и при сгорании дает только воду, а теплота сгорания молекулярного водорода в 3 раза больше чем бензина. Применение водорода в качестве топлива позволит получить положительный эффект. Однако трудности, возникающие при его получении, накоплении и перевозке, взрывоопасность и высокая стоимость водорода не позволяют пока применять его в широких масштабах. По прогнозам ученых, водородное топливо получит широкое распространение через 20…30 лет.

Токсичность отдельных компонентов продуктов сгорания топлива проявляется в следующем. Оксид углерода, находясь в атмосфере, постепенно, в течение 3…4 месяцев, окисляется кислородом до диоксида. В реальных условиях для растительности это безвредно, а у человека вызывает кислородное голодание.

В двигателях образуется оксид азота NO, доокисляющийся затем до в атмосфере до высших оксидов: NO₂, N₂O₄, N₂O₃, N₂O₅. Наибольшую опасность представляют диоксид NO₂ и его полимер N₂O₄, образующийся при температуре 135…140 ^оС.

Вредное воздействие оксидов азота проявляется в стратосфере и тропосфере. Существующий защитный озонный слой Земли, расположенный на высоте 10…50 км, испытывает на себе разрушающее воздействие оксидов азота. Разрушение озонного слоя влечет недопустимое возрастание биологически активной радиации, что ставит под угрозу существование биосферы.

Кроме того, оксиды азота, вступая в реакцию с водой, образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислот, раздражающих слизистую оболочку.

Следует отметить еще одну проблему, связанную с присутствием в атмосфере оксидов серы и азота. Соединяясь с атмосферной влагой, указанные оксиды образуют слабые растворы кислот и выпадают в виде “кислотных дождей”, под воздействием которых происходят закисление почв и увеличение кислотности вод поверхностных водоемов, что наносит ущерб рыбному хозяйству: в Швеции, например, 2500 озер уже полностью лишены рыбы, в Германии леса повреждены на площади свыше 2 млн. га, в Польше – на 500 тыс. га с полным уничтожением древостоя на площади в 180 тыс. га. Кислотные дожди усиливают коррозию и разрушение строительных материалов и т.д. Проблему кислотных дождей нельзя решить на национальном уровне. Так, Норвегия имеет самые низкие в Европе выбросы в атмосферу сернистого ангидрида и оксидов азота, а 92% вредных веществ в атмосферу Норвегии “импортировано” из других стран. В Швеции эта цифра составляет 82%, в Финляндии – 74%. По аналогии – авария на Чернобыльской АЭС произошла на Украине, а пострадала в основном Беларусь.

48-51. Тепловые потери в в деталях строений. Эффективная теплоизоляция зданий и сооружений.

Частные домовладельцы в западных странах используют почти 30% всей получаемой энергии, что составляет почти столько же, сколько и промышленность, и больше, чем весь, вместе взятый, транспорт. Большая часть расходуемой энергии (80%) идет на отопление помещений (рис.8.1)

Рис.8.1 Диаграмма потребления энергии в частном домовладении

В Беларуси в настоящее время строится огромное количество коттеджей, и мало кто из хозяев обращает внимание на такие "мелочи", как теплоизоляция и энергосбережение, хотя затраты на отопление 1м² в Беларуси относятся как 1:2,5 к соответствующим показателям западных стран.

Необходимая для осуществления жизненных функций энергия, а точнее, ее получение и использование, связано с нагрузкой на окружающую среду: добыча угля, нефти, газа, ядерного топлива, эмиссия продуктов сгорания, тепловое загрязнение окружающей среды.

Жилища, которые теперь разрабатываются или модернизируются, определяют и новые пределы потребления энергии и теплового давления на окружающую среду, а так же цены на энергию в будущем.

Энергосберегающие мероприятия так же являются средством сокращения общего энергопотребления. Несмотря на снижение мировых цен на нефть в 80-е годы, мы должны хорошо осознавать глобальную тенденцию повышения цен на энергию, что особенно актуально для Беларуси. Возможным является резкий скачок мировых цен, как это показал кувейтский кризис.

Как сознательный хозяин своего дома, каждый человек должен самостоятельно принимать решения при строительстве своего жилья в вопросах будущего энергопотребления, а не оставлять этой проблемы специалистам. Этим вы делаете вклад в свое счастливое будущее.